Megalaser e microesplosioni

Appendice 3

La fusione nucleare a confinamento inerziale

Reazioni di fusione di due nuclei leggeri, con la formazione di un nucleo piu' pesante e rilascio di energia, sono la sorgente di energia delle stelle, delle bombe H e si spera che in un futuro non troppo lontano possano essere sfruttate in reattori termonucleari a fusione controllata . La reazione alla base del ciclo energetico stellare e' quella in cui due nuclei di idrogeno si combinano in un nucleo di deuterio (isotopo pesante dell'idrogeno). Nelle ricerche sulla fusione controllata si utilizza la miscella di deuterio (D) e trizio (T, altro isotopo dell'idrogeno) in quanto molto piu' reattiva dell'idrogeno puro. La reazione da origine ad un nucleo di elio, a un neutrone ed a una grande quantita' d'energia
D+ T C6 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, da cui l'aggettivo termonucleare.

Perche' si possa ottenere una quantita' apprezzabile d'energia e' pero' anche necessario che avvenga un numero sufficiente di reazioni. Occorre quindi comprimere il combustibile termonucleare (la miscela di deuterio e trizio) a densita' molto piu' alte della materia normale (almeno mille volte la densita' dell'idrogeno liquido). In questo modo, con la densita' del materiale, aumenta molto la probabilita' che avvengano reazioni di fusione. D'altra parte si raggiungono pressioni di decine o centinaia di miliardi di atmosfere e quindi non e' possibile confinare il plasma reagente con alcun mezzo esterno. Le condizioni di reazione sono mantenute dalla sola inerzia del combustibile stesso, finche' questo non si espande in modo esplosivo a causa dell'energia generata al suo interno. Questa tecnica e' quindi chiamata confinamento inerziale perche' il confinament o e' dovuto solo all'inerzia della materia.

Vale forse la pena di osservare che sebbene spesso si dica che la ricerca sulla fusione controllata miri a realizzare un sole sulla terra la modalita' di confinamento e' ovviamente diversa, gravitazionale nel caso delle stelle, e proprio grazie alla maggiore efficacia del confinamento gravitazionale il sole puo' permettersi di bruciare un materiale molto poco reattivo (idrogeno anziche' i suoi isotopi pesanti) e per giunta a temperature piu' basse di quelle necessarie per l'ignizione in laboratorio.

Tornando al confinamento inerziale, 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 cio' 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 densita' necessarie per l'ignizione.

In un futuro reattore verrranno 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 sara' esplosiva, durando circa un decimo di miliardesimo di secondo.

Il problema cruciale degli attuali esperimenti e' quello della uniformita' 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 difficolta', alcuni laboratori, fra i quali il Lawrence Livermore National Laboratory negli USA, studiano 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 cavita' piu' 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 cosi' prodotta viene contenuta all'interno dell'holhraum, che agisce in modo simile ad un normale forno (che pero' confina la radiazione termica infrarossa) producendo quindi radiazione quasi uniforme. E' questa, a sua volta, a causare l'implosione del bersaglio. Cosi' si possono risolvere (in parte) i problemi di omogeneita', 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.

I vari processi fisici di rilievo per l'ICF sono stati stati studiati ampiamente e quantitativamente a partire dalla meta' degli anni '60. 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. Come per tutti gli esperimenti vi sono pero' delle incognite e la realta' potrebbe riservare qualche sorpresa. Per questo l'ignizione DT in un bersaglio sferico irraggiato con raggi X e' stata studiata dagli americani negli anni '86-87 con una serie di esperimenti in cui venivano utilizzati i raggi X prodotti da esplosioni nucleari sotterranee. Questi test, denominati Centurion-Halite, furono svolti nel piu' rigoroso segreto. Solo un rapporto del 1990 della National Academy of Science (NAS) americana, che aveva avuto accesso ai risultati, comunicava che questi hanno dimostrato qualitativamente che i concetti alla base della ICF sono validi. Tuttavia si sa anche che se la maggior parte degli esperimenti della serie ha avuto successo, invece alcuni sono falliti.

Per quel che concerne la relazione fra ICF e bomba H, e' evidente l'analogia di alcuni processi. Quest'ultima infatti si compone di un sistema primario di innesco (una bomba atomica all'uranio) e un sistema secondario, il combustibile termonucleare. L'energia sviluppata dallo scoppio del sistema primario fa implodere il sistema secondario fino al punto in cui vengono raggiunte le condizioni di innesco delle reazioni di fusione e viene liberata un'enorme quantita' d'energia. Gli esperimenti di fusione inerziale si differenziano dalle bombe H perche' l'innesco e' costituito da fasci laser e non da una bomba atomica (e quindi non esistono gli effetti distruttivi legati allo scoppio) e perche' la quantita' di combustibile termonucleare contenuto nel bersaglio e' limitata e sufficiente solo a produrre una micro-esplosione e non una vera esplosione dagli effetti devastanti. Inoltre e' diverso anche il meccanismo di ignizione poiche' nel caso della bomba H la presenza di componenti fissili (completamente assenti nell'ICF) gioca un ruolo essenziale nell'ignizione.

Purtroppo pero' la citata analogia fra il meccanismo di compressione di un secondario di una bomba H e aspetti dell'ICF ad irraggiamento indiretto ha fatto si' che per lungo tempo le potenze nucleari conducessero questo tipo di ricerche sotto regime di classificazione (cioe' sotto segreto militare). Questo ha molto penalizzato la ricerca sulla ICF: adesempio la Comunita' Europea (tramite l'Euratom), una trentina d'anni fa, ha scelto di non svolgere esperimenti di questo tipo anche per le loro possibili implicazioni militari. In realta' pero' la situazione non e' mai stata cosi' netta. Infatti, gli studi sull'irraggiamento diretto e sui processi fisici di base erano soggetti a minori restrizioni, mentre in alcune nazioni (Giappone e Germania) venivano svolte, senza alcuna restrizione anche su aspetti cruciali dell'irraggiamento indiretto.

Recentemente anche il DOE (Department of Energy) americano ha cambiato opinione sulla rilevanza, ai fini della proliferazione nucleare, degli esperimenti ad irraggiamento indiretto, declassificando la maggior parte dei risultati (che sono stati pubblicati in un numero speciale della rivista scientifica Physics of Plasmas). E' rimasto il segreto militare solo a riguardo ad alcuni dati sulle equazioni di stato e sui coefficienti diassorbimento della radiazione di materiali portati ad temperature e densita' e ai dettagli dei codici di simulazione. E' stata anche avviata una graduale apertura dei laboratori alla comunita' scientifica civile esterna.

Un approccio alternativo alla fusione nucleare e' quella basato sul confinamento magnetico. In questo caso le densita' del combustibile termonucleare sono molto basse (inferiori a quelle normali di un gas) ma il numero di reazioni di fusione viene aumentato tenendo il materiale confinato per un tempo piu' lungo (dell'ordine dei secondi) con un intenso campo magnetico.