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Translation by Aurora Licaj
L’eccezionale risultato scientifico ottenuto il 5 dicembre 2022 presso il Lawrence Livermore National Laboratory negli Stati Uniti dimostra la possibilità di un guadagno netto di energia tramite reazioni di fusione nucleare con la tecnologia del confinamento inerziale.
A partire dalla seconda metà del secolo XX gli scienziati si sono dedicati con sempre maggiore interesse ad un particolare fenomeno fisico noto come fusione nucleare. Il grande interesse dimostrato dalla comunità scientifica per questo fenomeno è facilmente spiegabile perché la fusione nucleare è il meccanismo fisico che permette ad una stella di produrre energia. L’uso della fusione nucleare consente quindi, in altre parole, di creare una piccola stella in laboratorio e di poter utilizzare la grande quantità di energia che viene liberata in questa reazione.
Come funziona una reazione di fusione nucleare? La reazione di fusione ha luogo quando i nuclei di atomi leggeri, come ad esempio l’idrogeno, interagiscono tra loro formando nuclei di elementi più pesanti, come ad esempio l’elio. Un esempio di reazione di fusione nucleare è illustrato in Figura 1.
Vediamo più in dettaglio il funzionamento di questa reazione di fusione nucleare. I nuclei di due isotopi dell’idrogeno, deuterio (contenente un protone ed un neutrone) e trizio (contenente un protone e due neutroni) vengono “fusi” insieme sottoponendoli ad enormi valori di temperatura e pressione. In questo modo si forma il nucleo di un nuovo elemento (elio) ed al tempo stesso viene liberata energia. L’origine di questa energia è dovuta al fatto che la massa del nucleo di elio risulta leggermente inferiore alla somma delle masse dei due nuclei degli isotopi di idrogeno che hanno innescato la reazione. In base alla celebre formula di Einstein E=mc² la scomparsa di una certa quantità di massa m determina infatti la produzione di una equivalente quantità E di energia. Dal momento che c² rappresenta la velocità della luce al quadrato ed è un numero grandissimo si comprende come anche piccole sparizioni di massa possano produrre enormi quantità di energia.
Per cercare di ottenere reazioni di fusione nucleare come quella appena descritta sono attivi oggi nei laboratori di molte nazioni numerosi esperimenti, che utilizzano però approcci molto diversi tra loro. L’esperimento che prendiamo in considerazione qui è quello che è stato realizzato il 5 dicembre 2022 tramite la National Ignition Facility (NIF) presso il Lawrence Livermore National Laboratory negli Stati Uniti. La NIF è un enorme dispositivo sperimentale per lo studio delle reazioni di fusione nucleare tramite la tecnologia del confinamento inerziale (Figura 2).
Per ottenere una reazione di fusione nucleare la NIF utilizza un sistema di 192 potenti laser che irradiano un piccolo cilindro d’oro, le cui dimensioni sono quelle di una monetina, all’interno del quale si trova una capsula che contiene gli atomi di deuterio e trizio necessari per produrre la reazione di fusione. L’effetto di questo irraggiamento è quello di sottoporre gli atomi di deuterio e trizio ad enormi valori di temperatura, dell’ordine dei milioni di gradi Celsius, e di pressione, dell’ordine dei miliardi di atmosfere, in modo da innescare la reazione di fusione nucleare.
Cosa è successo allora esattamente nel Livermore Laboratory il 5 dicembre 2022 e perché questo esperimento segna una svolta cruciale nelle ricerche sulla fusione nucleare? Per la prima volta nella storia a Livermore gli scienziati sono stati in grado non solo di realizzare una reazione di fusione nucleare ma anche di produrre un quantitativo di energia maggiore di quello utilizzato per innescare la reazione stessa, rendendo così disponibile una certa quantità di energia. Per la precisione, a fronte di 2 MJ (milioni di Joule) di energia “sparati” sul bersaglio è stato registrato un rilascio di energia da fusione nucleare superiore ai 3 MJ. Possiamo quindi dire veramente che il 5 dicembre 2022 a Livermore è nata una stella!
Le prospettive che questo risultato scientifico apre per il futuro dell’umanità sono entusiasmanti, in quanto con la tecnologia della fusione a confinamento inerziale è stata dimostrata non solo la fattibilità ma anche l’utilità in termini energetici delle razioni di fusione nucleare. Se prendiamo in considerazione anche il fatto che le reazioni di fusione non comportano tutti i problemi di produzione di scorie radioattive che caratterizzano le reazioni di fissione nucleare, utilizzate nelle centrali nucleari, e che l’idrogeno è abbondante in natura, possiamo dire che la fusione nucleare è senz’altro un’importante strada per risolvere i problemi energetici che ci affliggono.
Per poter utilizzare nella vita quotidiana i risultati di Livermore, tuttavia, serviranno ancora molti anni di ricerca dal momento che sarà necessario ingegnerizzare quello che allo stato attuale è solo il risultato di un esperimento scientifico. Tra le problematiche che un futuro reattore a fusione con confinamento inerziale dovrà risolvere ci sarà per esempio quello dell’efficienza del processo complessivo di produzione energetica da fusione. Nell’esperimento di Livermore, infatti, ogni “sparo” di tutto il sistema di laser richiede 300 MJ di energia elettrica, a fronte di una quantità di energia rilasciata dalla reazione di fusione che risulta molto più piccola. Un ulteriore problema che occorrerà risolvere sarà quello della velocità di ripetizione degli impulsi laser necessari per l’innesco della reazione di fusione. Nell’esperimento di Livermore infatti si riesce ad ottenere approssimativamente un impulso laser al giorno quando invece ne sarebbero necessari diversi al minuto.
Che conclusione possiamo dunque ricavare dall’ eccezionale esperimento di Livermore? Forse la frase più appropriata è quella che pronunciò nel 1969 durante la missione Apollo 11 l’astronauta statunitense Neil Armstrong nel momento in cui mise piede sul suolo lunare: “That’s one small step for a man, one giant leap for mankind”. Go Livermore Go!
WAS A STAR BORN?
The outstanding scientific result obtained on 5 December 2022 at the Lawrence Livermore National Laboratory in the United States demonstrates the possibility of a net gain of energy through nuclear fusion reactions with inertial confinement technology.
Since the second half of the 20th century, scientists have been increasingly interested in a particular physical phenomenon known as nuclear fusion. The great interest shown by the scientific community for this phenomenon is easily explained because nuclear fusion is the physical mechanism that allows a star to produce energy. The use of nuclear fusion therefore allows, in other words, to create a small star in the laboratory and to use the large amount of energy released in this reaction.
How does a nuclear fusion reaction work? The fusion reaction takes place when the nuclei of light atoms, such as hydrogen, interact with each other to form nuclei of heavier elements, such as helium. An example of a nuclear fusion reaction is shown in Figure 1.
Let’s see in more detail how this nuclear fusion reaction works. The nuclei of two hydrogen isotopes, deuterium (containing a proton and a neutron) and tritium (containing a proton and two neutrons) are "melted" together by subjecting them to enormous values of temperature and pressure. In this way the nucleus of a new element (helium) is formed and at the same time energy is released. The origin of this energy is due to the fact that the mass of the helium nucleus is slightly lower than the sum of the masses of the two nuclei of the hydrogen isotopes that triggered the reaction. According to Einstein’s famous formula E=mc², the disappearance of a certain quantity of mass m in fact determines the production of an equivalent quantity E of energy. Since c² represents the speed of light squared and is a huge number, it is clear that even small mass disappearances can produce enormous amounts of energy.
To try to obtain nuclear fusion reactions like the one just described, several experiments are active today in the laboratories of many nations, but they use very different approaches. The experiment that we consider here is the one that was carried out on December 5 2022, through the National Ignition Facility (NIF) at the Lawrence Livermore National Laboratory in the United States. NIF is a huge experimental device for studying nuclear fusion reactions using inertial confinement technology (Figure 2).
To obtain a nuclear fusion reaction, the NIF uses a system of 192 powerful lasers that radiate a small cylinder of gold, whose dimensions are those of a coin, inside which there is a capsule containing the deuterium and tritium atoms necessary to produce the fusion reaction. The effect of this radiation is to subject the deuterium and tritium atoms to enormous values of temperature, of the order of millions of degrees Celsius, and of pressure, of the order of billions of atmospheres, in order to trigger the nuclear fusion reaction.
What exactly happened then in the Livermore Laboratory on December 5 2022 and why is this experiment a crucial turning point in nuclear fusion research? For the first time in history at Livermore scientists were able not only to carry out a nuclear fusion reaction but also to produce an amount of energy greater than the one used to trigger the reaction itself, thus making a certain quantity of energy available. In more detail, against 2 MJ (millions of Joules) of energy "fired" on the target was recorded a release of energy from nuclear fusion exceeding 3 MJ. We can therefore truly say that on December 5 2022 a star was born in Livermore!
The prospects opened up by this scientific result for humanity’s future are exciting, since the technology of inertial confinement has demonstrated not only the feasibility of nuclear fusion but also the possibility of extracting energy from these reactions. If we also consider the fact that fusion reactions do not involve all the problems regarding the production of radioactive waste that burden nuclear fission reactions, used in nuclear power plants, and that hydrogen is abundant in nature, we can say that nuclear fusion is certainly an important way of solving the energy problems that we are facing.
In order to use Livermore’s results in everyday life, however, it will still take many years of research since it will be necessary to engineer what is currently only the result of a scientific experiment. Among the problems that a future inertial confinement fusion reactor will have to solve will be, for example, the efficiency of the overall process of fusion energy production. In the Livermore experiment, in fact, every "shot" of the whole laser system requires 300 MJ of electricity, compared to a much smaller amount of energy released by the fusion reaction. A further problem to be solved will be the one of the repetition rate of the laser pulses necessary for the trigger of fusion reaction. In fact, in the Livermore experiment it is possible to obtain approximately one laser pulse per day when several ones would be needed per minute.
What conclusion can we draw from Livermore’s exceptional experiment? Perhaps the most appropriate phrase is the one that the American astronaut Neil Armstrong pronounced in 1969 during the Apollo 11 mission, when he set foot on the lunar soil: "That’s one small step for a man, one giant leap for mankind". Go Livermore Go!
