Fusione nucleare inerziale
Il National Ignition
Facility (NIF)
Sito ufficiale del NIF
Sito
ufficiale del Laser MégaJoule (LMJ) francese
Fusione nucleare magnetica
Fusione
nucleare inerziale
La macchina Z del Sandia National
Laboratory
Colonizzare lo spazio con la
propulsione a fusione nucleare inerziale.
Giugno 2009, I primi esperimenti
del NIF al Lawrence Livermore Laboratory
Foto dell'hohlraum, la camera bersaglio del NIF, con all'interno la pasticca di Deuterio e Trizio
Appena
un mese dopo che il National Ignition Facility (NIF) è
stato ufficialmente ultimato è stato condotto al
Lawrence Livermore National Laboratory il primo
esperimento.
Nelle prime ore della mattina di Domenica 28 Giugno, NIF
ha inviato un impulso laser di 2 nanosecondi (ns) di 155
kj (kJ) di 3? (raggi ultravioletti) di energia al
bersaglio Hohlraum. Si tratta di un bersaglio cavo in oro,
vuoto nell'esperimento, di circa 6,4 millimetri di
lunghezza, destinato nei futuri esperimenti sulla fusione
ad ospitare la capsula del combustibile nucleare di
Deuterio e Trizio. Poi, alle 6:00 del 29 giugno, NIF ha
inviato un secondo impulso, sempre di 2 ns ad un secondo
Hohlraum, fornendo più di 220 kJ 3? di energia .
Lo scopo di questi primi esperimenti è quello di
predisporre gli equipaggiamenti necessari per la
generazione iniziale dei raggi X nell'Hohlraum e le
indispensabili apparecchiature ottiche di diagnostica,
come pure i sistemi di supporto criogenici del bersaglio,
in preparazione per gli esperimenti sulla fusione a
confinamento inerziale (ICF) e anche esperimenti sull'energia
ad alta densità alta densità che verranno effettuati
nell'autunno e nell'inverno. Attualmente si sta lavorando
anche sulla precisione dell'allineamento dei laser del
NIF e la loro esatta temporizzazione.
Tra gli strumenti di diagnostica che si stanno mettendo a
punto c'è il sistema Dante per la diagnostica dei raggi
x molli di potenza
Il Flouorescer Filter (FFLEX) Spectrometer, che misure i
raggi X duri generati negli esperimenti e la X Static-Ray
Imager (SXI), che convalida il puntamento del fascio di
sull'obbiettivo.
Si sta mettendo a punto anche il sistema (I-TIC) ignition
target inserter cryostat. L' I-tic sarà collegato alla
fine del posizionamento del target del NIF
Il successo degli esperimenti NIF dipenderà in larga
misura dal funzionamento delle tre grandi componenti
della struttura che genera e governa gli impulsi dei
laser di potenza: il Power Conditioning Unit (PCU), che
fornisce l'eccitazione (flashlamp) per il sistema laser
di iniezione, il Power Conditioning System (PCS), che
fornisce l'eccitazione di multi-megajoule per impulso
necessaria ai flashlamps negli amplificatori ottici del
laser, e il Plasma elettrodi Pockels Cell (PEPC), che
consente NIF di amplificarli. I tre sistemi sono ora
pienamente operativi, affidabili al cento per cento.
Questi risultati sono il culmine di oltre un decennio di
progettazione, sviluppo, produzione, installazione e
messa in servizio di 192 moduli PCS, 48 moduli PCU e 48
PEPCs che impiegano quasi 300 generatori di impulsi ad
alta potenza.
La fusione inerziale indiretta del NIF
Ricordiamo che la reazione di fusione nucleare
si basa su due nuclei di idrogeno che si combinano in un
nucleo di elio. Nelle ricerche sulla fusione controllata
si utilizza la miscela di deuterio (D) e trizio (T,
isotopo dell'idrogeno) in quanto molto più reattiva dell'idrogeno
puro. La reazione da origine ad un nucleo di elio, a un
neutrone ed a una grande quantità d'energia
D + T => He + n + Energia
La fusione dei nuclei richiede che questi acquistino un'energia
cinetica sufficiente a vincere la loro repulsione
elettrica. In pratica e' necessario riscaldare il
combustibile a temperature elevatissime, circa 100
milioni di gradi per un combustibile DT.
Perchè si possa ottenere una quantità apprezzabile d'energia
è però anche necessario che avvenga un numero
sufficiente di reazioni. Occorre quindi comprimere il
combustibile termonucleare (la miscela di deuterio e
trizio) a densità molto più alte della materia normale
(almeno mille volte la densità dell'idrogeno liquido).
In questo modo, con la densità del materiale, aumenta
molto la probabilità che avvengano reazioni di fusione.
per comprimere in modo adeguato il combustibile formato
da Deuterio e Trizio occorrono quindi pressioni di decine
o centinaia di miliardi di atmosfere, a queste pressioni
non è possibile confinare il plasma reagente con alcun
mezzo esterno. Le condizioni di reazione sono mantenute
dalla sola inerzia del combustibile stesso, finché
questo non si espande in modo esplosivo a causa dell'energia
generata al suo interno. Questa tecnica è quindi
chiamata confinamento inerziale perchè il confinamento
è dovuto solo all'inerzia della materia.
Negli esperimento di laboratorio si irraggia con potenti
fasci laser un bersaglio a forma di sfera cava; a seguito
del riscaldamento causato dal laser gli strati esterni
evaporano rapidamente e per reazione ciò causa l'accelerazione
verso l'interno (implosione) del bersaglio contenente il
combustibile. Al momento della chiusura del vuoto
centrale il combustibile viene compresso e in un parte di
esso si raggiungono le condizioni di temperatura e
densità necessarie per l'ignizione.
In un futuro reattore verranno irraggiati in sequenza (con
una frequenza di 1-5 al secondo) bersagli contenenti
ciascuno pochi milligrammi di DT e che rilasceranno
alcune centinaia di Megajoule di energia; la combustione
di ogni bersaglio sarà esplosiva, durando circa un
decimo di miliardesimo di secondo.
La tecnica dell' Hohlraum
Disegno della camera bersaglio del NIF, come i raggi laser innescano la fusione
Il problema cruciale degli attuali esperimenti e'
quello della uniformità di compressione: se i fasci
laser non fanno implodere in modo omogeneo la sferetta,
diventa impossibile conseguire l'ignizione. Come
possibile via per superare questa difficoltà al Lawrence
Livermore National Laboratory negli USA, si studia una
tecnica nota come confinamento inerziale ad irraggiamento
indiretto. In questo schema i fasci laser non sono
focalizzati direttamente sul bersaglio sferico che
contiene il combustibile termonucleare ma sulla parete di
una cavità più grande (dove entrano tramite opportuni
fori, si veda la figura) che viene detta hohlraum. Il
materiale delle pareti dell'hohlraum si trasforma in un
plasma che, a causa della sua elevatissima temperatura,
emette raggi X. La radiazione così prodotta viene
contenuta all'interno dell'holhraum, che agisce in modo
simile ad un normale forno (che però confina la
radiazione termica infrarossa) producendo quindi
radiazione quasi uniforme. E' questa, a sua volta, a
causare l'implosione del bersaglio. Così si possono
risolvere (in parte) i problemi di omogeneità, il tutto
ovviamente a spese dell'energia che viene persa nel
processo intermedio di conversione della luce laser in
raggi X. Tale perdita di energia e' tra l'altro una delle
ragioni che rende indispensabile la costruzione dei mega-laser.
Si ritiene oggi che con un sistema laser a luce
ultravioletta con circa 200 fasci e impulsi di energia di
1.5 MJ e di potenza di 400 TW (400 mila miliardi di watt)
si possa conseguire l'ignizione termonucleare nel modo
indiretto.
La macchina Z del Sandia National
Laboratory
Un
nuovo approccio alla fusione nucleare
Colonizzare lo spazio con la
propulsione a fusione nucleare.
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