Abbiamo incontrato Johan Frenje, fisico nucleare e capo della divisione High-Energy-Density Physics (HEDP) della Plasma Science and Fusion Center (PSFC) del MIT (Massachusetts Institute of Technology) di Cambridge, Stati Uniti, nonché l’Università più prestigiosa al mondo. Per la prima volta nella storia, l’umanità ha compiuto un balzo in avanti verso la realizzazione del suo sogno più grande: accendere una stella sulla Terra, mediante la fusione nucleare. L’8 agosto 2021, i ricercatori della National Ignition Facility (NIF) del Lawrence Livermore National Laboratory, hanno prodotto energia per effetto della fusione nucleare a confinamento inerziale (ICF), giungendo “all’accensione“, cioè il punto in cui la quantità di energia di fusione prodotta è maggiore dell’energia immessa nel sistema. Il Plasma Science and Fusion Center (PSFC) del MIT ha contribuito al successo di questo esperimento di fusione a confinamento inerziale (ICF), fornendo circa una dozzina di strumenti diagnostici. L’esperimento consisteva nel concentrare 192 raggi laser su un bersaglio, cioè un minuscolo cilindro d’oro, contenente una capsula sferica riempita di combustibile deuterio-trizio. L’implosione, nata poco dopo, ha generato una resa da fusione storica di 1,37 megaJoule. L’articolo ufficiale dell’esperimento potete leggerlo cliccando QUI.
La “Fusione a confinamento inerziale (ICF)” è uno dei due rami principali della ricerca sull’energia da fusione, l’altro è la “Fusione a confinamento magnetico (MCF)“. Quest’ultimo deve utilizzare un plasma caldo, confinato magneticamente in un Tokamak. Il ramo ICF, invece, non ha bisogno dei potenti magneti e di un tokamak? Quali sono i vantaggi e gli svantaggi dei due rami principali?
Un tokamak non è necessario per l’approccio a ICF (Inertial-Confinement-Fusion). L’approccio a ICF utilizza un metodo completamente diverso per confinare il plasma, rispetto all’approccio a Magnetic-Confinement-Fusion (MCF). Nel metodo ICF una capsula cava di dimensioni millimetriche, viene riempita di combustibile deuterio-trizio (DT), poi viene compressa (in genere 20-30 times radially) e riscaldata molto rapidamente alle condizioni idonee per la fusione termonucleare, l’accensione e la propagazione dell’ustione. Ciò accade in un periodo di tempo dell’ordine di 100 ps prima che il carburante DT esploda. L’inerzia del combustibile lo tiene insieme, per un tempo sufficientemente lungo da consentire il processo di fusione termonucleare, da cui il nome ICF. Va notato tuttavia, che un concetto ICF avanzato utilizza campi magnetici esterni per migliorare il confinamento dell’energia del combustibile. Inoltre, mentre MCF cerca di stabilire una fonte continua di energia di fusione, ICF cerca di produrre esplosioni brevi e discrete di energia di fusione.
Scientificamente, è difficile contrapporre i due approcci e stabilire vantaggi e svantaggi ad essi associati. Entrambi gli approcci si basano su solidi principi e, a mio avviso, è solo questione di tempo prima che entrambi gli approcci raggiungano l’accensione in un laboratorio (come sappiamo, l’approccio ICF lo ha già raggiunto). Penso che si possa avere qualche discussione sui vantaggi e gli svantaggi dei concetti di reattore per l’approccio ICF e MCF, ma non siamo ancora nella posizione di avere discussioni ben informate su questo.
Il gruppo “High-Energy-Density Physics (HEDP)” presso il “Plasma Science and Fusion Center” del MIT è stato determinante nello storico esperimento di accensione del ICF, eseguito nel 2021. Perché questo esperimento è così importante? Può avvicinarci alla realizzazione del più grande sogno dell’umanità: accendere una stella sulla Terra e iniziare a produrre grandi quantità di elettricità?
Dato che la ricerca sulla fusione termonucleare è stata condotta dagli anni ’50 e che le promesse di raggiungere l’accensione sono state fatte ma non sono state mantenute lungo il percorso, l’esperimento di accensione al NIF dell’8 agosto 2021 è un risultato storico, che dimostra che un plasma di fusione può essere acceso in un laboratorio. È anche da notare che il risultato dell’accensione è stato ben catturato dai calcoli teorici, indicando che abbiamo una buona conoscenza della fisica che governa il processo e le prestazioni dell’implosione. L’aver stabilito che l’accensione può essere raggiunta in un laboratorio, è un grande e necessario trampolino di lancio per i nostri sforzi di realizzare la fusione termonucleare, come fonte di energia praticabile.
Credit: Lawrence Livermore National Laboratory
Quali sono le principali difficoltà che state affrontando? E quanto tempo ci vorrà per risolvere tutti i problemi?
La sfida principale, con gli esperimenti di accensione ICF, è quella di stabilire una solida piattaforma di implosione, che fornisca un margine sufficiente alla soglia di accensione e quindi consenta l’accensione su base regolare. Anche se non ho familiarità con i dettagli, so che la sfida principale è trovare un progetto ingegneristico robusto, che faciliti l’accensione di routine. La capsula deve soddisfare specifiche molto rigorose, e deve essere tenuta in posizione con una incredibile precisione, ottenuta da qualche caratteristica meccanica che non influisca negativamente sulle prestazioni dell’implosione. È inoltre necessario ottenere una migliore comprensione della dinamica dell’azionamento della capsula (laser, raggi X o campi magnetici).
Un’altra sfida è creare le strutture ICF di prossima generazione. Il laser NIF si basa sulla tecnologia degli anni ’90, e potrebbe essere notevolmente migliorato con la tecnologia odierna. Questo vale per le altre grandi strutture ICF attualmente in funzione negli Stati Uniti.
La sfida che il mio gruppo sta affrontando, nell’area della ricerca ICF, è sviluppare la diagnostica di prossima generazione, affinché sia in grado di diagnosticare la dinamica della fase di fusione nucleare di un’implosione ICF, con una risoluzione temporale di 20-30 ps.
Credit: Lawrence Livermore National Laboratory
Per quanto riguarda la tua carriera, come è iniziata la tua passione per la fisica nucleare, in particolare per la fusione a confinamento inerziale (ICF)?
Da quando ho memoria, sono stato affascinato dal concetto di fusione, il processo che alimenta le stelle. Da ragazzo, volevo prendere parte allo sforzo di realizzare la fusione termonucleare come fonte di energia pulita, che avrebbe sicuramente alleviato i problemi di politica energetica e clima che stiamo affrontando oggi.
In realtà ho svolto il mio lavoro di laurea alla fine degli anni ’90 presso l’Università di Uppsala, in Svezia, e presso il Joint European Torus (JET) presso il Culham Center for Fusion Energy, nel Regno Unito, diagnosticando i plasmi MCF e utilizzando la diagnostica dei neutroni. Dopo il mio lavoro di laurea, mi sono trasferito negli Stati Uniti per il mio lavoro post-dottorato e sono stato coinvolto nel programma ICF. La mia esperienza, nell’area dell’uso della diagnostica dei neutroni per diagnosticare un’implosione ICF, era necessaria in quel momento.
Quali sono i tuoi progetti futuri, o i tuoi esperimenti futuri?
Dato che attualmente ho circa 10 studenti laureati e 2 post-dottorato, ciascuno dei quali lavora su 2-3 progetti di ricerca nelle aree dell’ICF e della fisica del plasma ad alta densità di energia, è difficile individuarne alcuni. Nel contesto della diagnosi di un’implosione ICF, direi che un progetto importante su cui stiamo lavorando è lo sviluppo e l’uso dello spettrometro di neutroni di nuova generazione per la misurazione di 20-30 ps time-solved dello spettro di neutroni da un’implosione di ICF. Questa misurazione fornirà informazioni sulla dinamica della formazione del nucleo ICF, sull’assemblaggio del combustibile DT e sulla propagazione dell’ustione.
- Cover image credits: Lawrence Livermore National Laboratory / Johan Frenje – Plasma Science and Fusion Center (PSFC)