Per la prima volta, scienziati negli Stati Uniti hanno confermato che un esperimento sull’energia da fusione ha ottenuto un guadagno netto di energia. Ciò significa rilasciare più energia di quella necessaria per iniziare, dimostrando la base fisica per produrre energia di fusione in modo controllato.
Questa impresa storica ha avuto luogo presso il Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in California, utilizzando l’esperimento della National Ignition Facility dopo decenni di pianificazione e ricerca.
La pietra miliare ha utilizzato un processo chiamato fusione a confinamento inerziale. Si tratta di bombardare un minuscolo cilindro d’oro contenente una pallina di idrogeno combustibile – delle dimensioni di una gomma da matita – con il sistema laser più potente del mondo composto da 192 raggi laser. Questo produce plasma caldo e raggi X che innescano un’implosione, comprimendo il pellet di combustibile e dando il via a una reazione di fusione che libera energia.
Il team di LLNL riferisce di aver consegnato “2,05 megajoule di energia al bersaglio, risultando in 3,15 megajoule di produzione di energia di fusione”.
Per rivedere rapidamente, l’obiettivo dell’energia di fusione succede esattamente questo: riscaldare e comprimere le particelle di combustibile in modo che subiscano la fusione: fondersi insieme per creare una particella atomica più pesante, liberando energia nel processo.
La fusione è ciò che alimenta le stelle come il nostro Sole, ma può avvenire solo in condizioni specifiche. Gli atomi devono essere sottoposti a immenso calore e pressione per superare tremende forze fisiche e fondersi. È l’opposto della fissione nucleare utilizzata nelle attuali centrali nucleari.
Il nobile obiettivo finale per sfruttare la fusione per la produzione di energia è generare grandi quantità di elettricità pulita e sostenibile.
Cos’è il “guadagno netto” e perché è un grosso problema?
L’annuncio di oggi è simile ad altre pietre miliari storiche come il miglio di quattro minuti, o il primo volo controllato e sostenuto dei fratelli Wright di un aereo a motore. La gente aveva già corso gare o sperimentato voli temporanei attraverso gli alianti, ma queste pietre miliari erano state pensate come sogni irrealizzabili. Alla fine sono stati realizzati grazie a uno sforzo a lungo termine e sembra che questo sia uno di quei momenti storici per la scienza della fusione.
Un risultato di guadagno netto in un esperimento di fusione significa essenzialmente produrre più energia attraverso reazioni di fusione rispetto alla quantità di energia immessa nel sistema per avviare detta reazione.
Questo di solito è misurato come un fattore Q, che è il rapporto tra energia in uscita ed energia in entrata. Per decenni, il Santo Graal nella scienza della fusione ha raggiunto Q > 1.
Un fattore AQ superiore a 1 significa che hai ottenuto più energia di quella che hai messo nel carburante. Questo è generalmente noto come “breakeven scientifico”. Il risultato annunciato oggi si traduce in un fattore Q di circa 1,5.
La complicazione intorno alla misurazione del tuo esperimento in questo modo è che non tiene conto delle inefficienze energetiche nel modo in cui alimenti il laser dalla rete elettrica, o come puoi generare elettricità dalle particelle energetiche create dalle reazioni di fusione. Proprio come gli attuali metodi di generazione di elettricità, nessun processo è efficiente al 100% e perdiamo energia lungo il percorso.
Quando si tiene conto di questi effetti, si inizia quindi a parlare di “breakeven ingegneristico“.
In pratica, la maggior parte delle persone sembra pensare che potrebbero essere necessari fattori Q più elevati di 10, 100 o anche 1.000 per ottenere un prodotto fattibile per la generazione di elettricità dalla fusione. Questo è ciò a cui la comunità della fusione si adopererà con gli sforzi futuri.
Come si confronta questo risultato con altri esperimenti di fusione?
L’approccio globale più popolare per confinare le reazioni di fusione non è con i laser – come fatto a LLNL – ma con i campi magnetici. Questo metodo è chiamato fusione a confinamento magnetico. Nel processo, il combustibile viene riscaldato per espellere gli elettroni dagli atomi per creare un plasma di elettroni e nuclei caricati positivamente. Questi nuclei vengono poi fusi insieme.
Poiché il plasma in questi dispositivi di fusione è più caldo del nucleo del nostro Sole, vengono utilizzati forti campi magnetici per controllare la forma e la direzione del plasma in modo che non danneggi le pareti della macchina.
I dispositivi di confinamento magnetico hanno ripetutamente raggiunto temperature del plasma di oltre 100 milioni di gradi Celsius, ma ad oggi non è stato raggiunto un guadagno netto in un tale dispositivo. Ci sono piani in corso per raggiungere questo obiettivo con l’International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) in costruzione in Francia.
ITER è il più grande esperimento scientifico del mondo ed è stato progettato per raggiungere un fattore Q di 10, producendo 500 megawatt di potenza di fusione da 50 megawatt di potenza iniettata.
Dove da qui?
Per ora, questo risultato significa molto di più per la comunità scientifica di quanto probabilmente significhi per le persone in attesa di una nuova alternativa elettrica commerciale. Dovremo essere un po’ più pazienti per quelle prospettive.
Che si utilizzino i laser o il confinamento magnetico, gli scienziati della fusione di tutto il mondo devono continuare il loro percorso se vogliamo ottenere una produzione di energia da fusione commercialmente valida. Mentre continuiamo in questo viaggio, probabilmente assisteremo allo sviluppo continuo delle tecnologie necessarie e continueremo a salire la scala verso valori più elevati di Q.
A breve termine, questo risultato porterà probabilmente a piani e finanziamenti più concreti da parte del governo e dell’industria privata verso esperimenti di fusione a confinamento inerziale e, si spera, anche altri concetti di fusione.
Ad esempio, in seguito all’annuncio odierno della LLNL, gli Stati Uniti hanno impegnato oltre 600 milioni di dollari per il programma di fusione inerziale per costruire su questo risultato. Ciò si aggiunge al loro impegno per una “Visione audace per l’energia da fusione commerciale” delineata all’inizio del 2022.
Il risultato è un momento di svolta, che mostra al pubblico, ai governi e agli investitori che, nonostante questo sia un problema scientifico e ingegneristico incredibilmente difficile da risolvere, stiamo facendo progressi reali.
Ci sono voluti molti anni e molto lavoro per lanciare il primo volo di una compagnia aerea commerciale dopo che i fratelli Wright hanno preso il volo per la prima volta. Più o meno allo stesso modo, c’è un percorso da percorrere per la fusione commerciale, ma dobbiamo mettere le risorse e gli sforzi per arrivarci.
Autore
Nathan Garland, Università Griffith
