Il Sole in Laboratorio: l'esperimento sulla fusione nucleare che ha generato i raggi X più intensi di sempre
L'esperimento THOR non migliora l'efficienza della fusione, ma la sfrutta per generare i raggi X più potenti di sempre. Uno strumento diagnostico rivoluzionario per studiare i segreti delle stelle e testare i materiali per i futuri reattori commerciali.
Si tratta di un traguardo storico per la fisica dei plasmi. Infatti, un team congiunto di ricercatori del Los Alamos National Laboratory (LANL) e del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), è riuscito a raggiungere risultati incredibili, aprendo orizzonti impensabili fino a pochi anni fa.
Durante l'esperimento, condotto presso il National Ignition Facility (NIF), in California, gli scienziati sono riusciti non solo ad innescare con successo una reazione di fusione, ma anche a generare la sorgente di raggi X più intensa e luminosa mai creata sulla Terra.
La reazione controllata è riuscita nell'intento di produrre più energia di quanta impiegata dai laser d'innesco, circa 2,4 mega joule. Per una frazione di secondo, è stato creato un plasma ardente capace di autosostenersi e di raggiungere temperature che sfidano persino quelle del centro del Sole.
Che cosa è il bersaglio "Hohlraum"?
Cerchiamo di capire in che cosa consistesse l'esperimento. Un tipico esperimento di fusione nucleare a confinamento inerziale prevede un complesso sistema di laser potentissimi. Questo esperimento ha diretto e concentrato 192 fasci laser ad alta energia all'interno di un minuscolo cilindro d'oro, grande appena pochi millimetri, tecnicamente chiamato Hohlraum (da tedesco "spazio vuoto"). Questo minuscolo componente è il cuore dell'esperimento.
All'interno di questo cilindro dorato è sospesa una microscopica capsula contenente il combustibile nucleare, in questo caso una miscela di deuterio e trizio, che sono due isotopi pesanti dell'idrogeno. Quando i fasci laser colpiscono le pareti interne dell'hohlraum, generano un densissimo e caldissimo "bagno" di raggi X.
La capsula, che si trova al centro, viene sottoposta ad un'immensa pressione e a temperature elevatissime, fino a far fondere gli atomi di idrogeno tra loro, innescando l'ignizione vera e propria della fusione nucleare.
Il progetto THOR per costruire finestre sull'infinito
La vera innovazione ingegneristica di questo esperimento risiede in una totale riprogettazione dell'architettura del bersaglio. Infatti, a differenza dei modelli standard che l'hanno preceduto, che sono del tutto chiusi ai lati per trattenere l'energia, il cilindro THOR è stato ingegnerizzato con delle speciali finestre (aperture equatoriali) lungo il suo perimetro.
Gli scienziati del LANL, guidati dal fisico Ryan Lester (a capo della campagna sperimentale) e dal fisico Brian Haines, hanno modificato il cilindro d'oro creando un sistema inedito battezzato THOR (Thinned Hohlraum Optimization for Radflow).
La sfida tecnica e tecnologica era molto difficile, poiché la dinamica dell'implosione è molto delicata e sofisticata, e sottrarre energia attraverso queste finestre rischiava di spegnere la reazione prima ancora di raggiungere l'ignizione. Ma, nonostante la comunità scientifica fosse molto scettica sulla possibile riuscita dell'esperimento, il team del LANL ha stupito tutti e l'esperimento THOR ha funzionato al primo tentativo, replicando precisamente i dati previsti dai modelli di simulazione.
L'utilità pratica dei nuovi raggi X per i reattori di domani
In un esperimento di fusione standard per la produzione di energia, l'obiettivo dell'Hohlraum (il cilindro d'oro) è quello di funzionare come un "forno" ermetico perfetto. Aprire delle "finestre" equatoriali significa letteralmente sprecare energia preziosa, facendola fuggire all'esterno.
Pertanto, l'obiettivo di questo progetto è stato esclusivamente diagnostico e di ricerca. In questo specifico caso, la fusione nucleare non è stata il fine ultimo, ma è stata usata per accendere "la lampadina a raggi X" più potente del mondo.
La riuscita di questo nuovo metodo ha permesso di aprire nuove possibilità per migliorare i sistemi di produzione di energia a fusione nucleare. Infatti, riuscire a estrarre questo fascio estremo di radiazione, senza interrompere la fusione, trasforma l'intera struttura in un formidabile strumento di indagine e diagnostica. In pratica, sfruttando i raggi X sprigionati dalle finestre del Thor, i ricercatori potranno bombardare direttamente campioni di materiali esterni e testare leghe metalliche in grado di resistere ad anni di bombardamenti radioattivi estremi.
Permetterà anche di compiere dei test avanzati di scienza dei materiali, mettendo alla prova le leghe che un giorno dovranno formare le pareti di contenimento dei reattori a fusione commerciali, assicurandone tenuta, sicurezza e affidabilità contro usura e radiazioni.