Le energie di fusione guidate dal laser non corrispondono alle aspettative

Ingrandire / Dove la procedura si svolge all’interno del National Ignition Facility.

Lunedì è stato pubblicato un documento che descrive alcuni risultati confusi del National Ignition Facility, che utilizza molti laser altamente energetici focalizzati su un piccolo bersaglio per avviare una reazione di fusione. Negli ultimi anni, la struttura ha attraversato alcune importanti pietre miliari, tra cui l’accensione della fusione e la creazione del cosiddetto plasma in fiamme.

Ora, i ricercatori hanno analizzato le proprietà del plasma mentre sperimenta questi stati ad alta energia. Con loro sorpresa, hanno scoperto che il plasma in fiamme sembrava comportarsi diversamente da quello che era stato sottoposto ad accensione. Al momento, non c’è una spiegazione chiara per la differenza.

Accensione contro combustione

Negli esperimenti, il materiale utilizzato per la fusione era una miscela di trizio e deuterio, due isotopi più pesanti dell’idrogeno. Questi si combinano per produrre un atomo di elio, lasciando emettere un neutrone di riserva; L’energia della reazione di fusione viene rilasciata sotto forma di raggi gamma.

Il processo di fusione è innescato da un breve lampo estremamente intenso di luce laser puntato su un piccolo cilindro di metallo. Il metallo emette intensi raggi X, che vaporizzano la superficie dei grani vicini, creando un’intensa ondata di calore e pressione all’interno dei grani, dove si trovano deuterio e trizio. Questi formano plasmi ad alta energia, che creano le condizioni per la fusione.

Se tutto va bene, l’energia trasmessa accende il plasma, il che significa che non è necessaria alcuna energia aggiuntiva per mantenere attive le reazioni di fusione per la frazione di secondo che passa prima che tutto esploda. A energie più elevate, il plasma raggiunge uno stato chiamato combustione, in cui gli atomi di elio che si formano trasportano così tanta energia da poter accendere il plasma adiacente. Questo è fondamentale perché significa che il resto dell’energia (sotto forma di neutroni e raggi gamma) può essere raccolto per produrre energia utile.

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Sebbene disponiamo di modelli dettagliati della fisica che si verifica in queste condizioni estreme, dobbiamo confrontare tali modelli con ciò che accade all’interno del plasma. Sfortunatamente, poiché sia ​​il plasma che il materiale che lo circondava sono in procinto di esplodere, ciò rappresenta una vera sfida. Per avere un quadro di ciò che potrebbe accadere, i ricercatori si sono rivolti a uno dei prodotti della reazione di fusione: i neutroni che emette, che possono passare attraverso i detriti ed essere rilevati dai rivelatori vicini.

misura della temperatura

La fisica della reazione di fusione produce neutroni di una certa energia. Se la fusione avvenisse in un materiale in cui gli atomi erano fissi, tutti i neutroni uscirebbero con quell’energia. Ma è chiaro che i nuclei atomici nel plasma – trizio e deuterio – si muovono violentemente. A seconda di come si muovono rispetto al rivelatore, questi ioni possono trasferire un po’ di energia extra ai neutroni o sottrarne un po’.

Ciò significa che invece di apparire come una linea netta a una certa energia, i neutroni escono in una gamma di energie che formano un’ampia curva. Il picco di questa curva è correlato al movimento degli ioni nel plasma, e quindi alla temperatura del plasma. Maggiori dettagli possono essere estratti dalla forma della curva.

Tra il punto di accensione e il punto di combustione, sembriamo avere una precisa comprensione di come la temperatura del plasma sia correlata alla velocità degli atomi nel plasma. I dati dei neutroni si allineano bene con la curva calcolata dalle nostre previsioni del modello. Tuttavia, una volta che il plasma passa alla combustione, le cose non sono più identiche. È come se i dati sui neutroni trovassero una curva completamente diversa e la seguissero invece.

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Quindi, cosa potrebbe spiegare questa curva diversa? Non è che non ne abbiamo idea. Ne abbiamo un sacco e non c’è modo di distinguerli. Il team che ha analizzato questi risultati propone quattro possibili spiegazioni, inclusa la cinetica inaspettata delle singole particelle nel plasma o l’incapacità di spiegare grandi dettagli del comportamento del plasma. In alternativa, il plasma in fiamme potrebbe estendersi su un’area diversa o durare per un periodo di tempo diverso da quello che ci aspetteremmo.

In ogni caso, affermano gli autori, “Capire il motivo di questo allontanamento dal comportamento idrodinamico può essere importante per ottenere un’accensione robusta e ripetibile”.

fisica della natura2022. DOI: 10.1038/s41567-022-01809-3 (A proposito di DOI).

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