Il laser e la fusione nucleare

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Il sole è la nostra fonte di vita, non solo per i raggi che riscaldano il nostro pianeta e forniscono l'energia necessaria a (quasi) tutte le reazioni che vi avvengono, ma è anche fonte di suggerimenti strategici. E' infatti copiando il genere di reazioni che avvengono al suo interno, la cosiddetta fusione nucleare, che gli scienziati sognano di ottenere grandi quantità di energia riducendo al minimo il problema delle emissioni e delle scorie nucleari, tipico delle reazioni a fissione nucleare, e l'inquinamento da CO2, tipico dei combustibili fossili.

Un enorme problema della fusione nucleare è la grande  quantità di calore necessaria perchè avvenga la reazione di fusione dei nuclei, la gestione di questo calore e l'emissione di neutroni.

La fusione nucleare consiste nell'avvicinamento di nuclei atomici fino a superare la forza di repulsione elettromagnetica tra cariche dello stesso segno e far intervenire la forza nucleare forte, quella che tiene uniti protoni e neutroni nel nucleo. Se questa avviene con atomi con numero atomico non superiore a 28 la reazione è esoenergetica, cioè sviluppa più energia di quella necessaria per avvicinare i nuclei, sopra questo numero atomico è endoenergetica.

Tra i sistemi utilizzati per avvicinare i nuclei e fonderli vi è anche quello basato sulla compressione laser. E' quello che hanno provato a fare (Hora et al. 2010) un gruppo di ricercatori, ipotizzando una nuova soluzione.

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Per esempio, quello che si sta provando al NIF  (National Ignition Facility) e che si chiama fusione a confinamento inerziale, coinvolge  192 laser ad alta potenza che dirigono il loro fascio su un piccolo cilindro metallico che contiene, al suo interno, il combustibile di deuterio (D) e trizio (T). Il laser dovrebbe riscaldare il cilindro a milioni di gradi e stimolare la produzione di raggi X al suo interno. I raggi X comprimono il combustibile ( D-T) all'interno del cilindro fino a 1/1000 del suo volume iniziale, facendogli raggiungere quelle temperature necessarie alla fusione con  formazione di elio (He). Il problema è che si formano anche molti neutroni che, essendo neutri non sono confinabili con scudi magnetici e in più reagiscono con gli atomi del contenitore.

L'ipotesi dei ricercatori di questo studio (Hora et al. 2010) si basa sull'utilizzo del laser quale colpo meccanico (mechanical punch) per innescare la reazione, più che sull'aumento diretto della temperatura del cilindro dovuto all'energia del laser. Come l'impulso laser colpisce il combustibile si forma uno strato di plasma dal gas ionizzato che comprime il combustibile avviando la reazione di fusione.

Questo metodo inoltre, grazie all'utilizzo di un combustibile diverso, composto di boro e idrogeno (boro-protone, l'idrogeno privo dell'elettrone), dovrebbe produrre anche meno neutroni e radiazioni.

Il gruppo ha anche calcolato la potenza laser necessaria per innescare il colpo sul combustibile boro-protone: è intorno ai 60 petawatt 60 x 10^15 watts). Si consideri che quelli più potenti in circolazione sono dell'ordine dei 10 petawatt, ancora più potenti di quelli usati nel progetto NIF. Anche se l'idea ha delle potenzialità, secondo quanto affermano ai laboratori del NIF, occorrono ulteriori studi e, soprattutto, il raggiungimento di così enormi potenze laser.

Fonti
Laser 'punch' could bump up fusion power
Fusion energy without radioactivity: laser ignition of solid hydrogen–boron (11) fuel