Nell'agosto 2022, quando il team di scienziati del National Ignition Facility (NIF) del Lawrence Livermore National Lab (LLNL) ha sparato un colpo che ha ottenuto una resa di 1,35 megajoule (MJ) di energia di fusione con 1,9 MJ di energia laser, si è trattato di una svolta scientifica tanto attesa-che segnalava l'incendio da fusione.
Più tardi, nello stesso anno, durante un altro esperimento di fusione inerziale (nota anche come fusione guidata dal laser-), gli scienziati raggiunsero una resa di 3,15 MJ di energia di fusione con 2,05 MJ di energia laser e ottennero l'accensione. Si è trattato di una reazione di fusione termonucleare creata in laboratorio-e ha dato il via a una corsa globale per immettere sulla rete l'energia di fusione-priva di carbonio basata sul laser-entro gli anni '30 o '40.
"Questo è stato un punto di svolta quando il NIF ha dimostrato per la prima volta con successo che la fusione inerziale era possibile, e la chiave è avere il giusto tipo di carburante-deuterio-trizio-e utilizzare i laser per comprimerlo e fonderlo per generare guadagno (più energia fuori che dentro)", afferma Arianna Gleason, scienziata e vicedirettrice della divisione High Energy Density Science di SLAC. "È come sostenere il carburante di una stella-solo per una frazione di secondo all'interno di un laboratorio."
Nell'agosto 2022, quando il team di scienziati del National Ignition Facility (NIF) del Lawrence Livermore National Lab (LLNL) ha sparato un colpo che ha ottenuto una resa di 1,35 megajoule (MJ) di energia di fusione con 1,9 MJ di energia laser, si è trattato di una svolta scientifica tanto attesa-che segnalava l'incendio da fusione.
Più tardi, nello stesso anno, durante un altro esperimento di fusione inerziale (nota anche come fusione guidata dal laser-), gli scienziati raggiunsero una resa di 3,15 MJ di energia di fusione con 2,05 MJ di energia laser e ottennero l'accensione. Si è trattato di una reazione di fusione termonucleare creata in laboratorio-e ha dato il via a una corsa globale per immettere sulla rete l'energia di fusione-priva di carbonio basata sul laser-entro gli anni '30 o '40.
"Questo è stato un punto di svolta quando il NIF ha dimostrato per la prima volta con successo che la fusione inerziale era possibile, e la chiave è avere il giusto tipo di carburante-deuterio-trizio-e utilizzare i laser per comprimerlo e fonderlo per generare guadagno (più energia fuori che dentro)", afferma Arianna Gleason, scienziata e vicedirettrice della divisione High Energy Density Science di SLAC. "È come sostenere il carburante di una stella-solo per una frazione di secondo all'interno di un laboratorio."
L'architettura laser avanza per la fusione
Il NIF è stato costruito negli anni '90 e presenta la tecnologia laser dell'epoca. "Costruiamo laser in modo molto più efficiente oggi rispetto agli anni '90. La nostra tecnologia è avanzata al punto in cui possiamo avere laser altamente efficienti alle velocità di ripetizione necessarie per la fusione-molti colpi al secondo", afferma Glenzer. "È interessante notare che i microchip all'interno degli iPhone sono prodotti con la tecnologia laser che in realtà è nata dal programma di fusione laser. È stato il primo successo commerciale della fusione laser."
All'interno della comunità della fusione, la tecnologia laser si sta lentamente allontanando dalle architetture più vecchie che funzionavano in passato: i laser basati su -lampada flash-pompata o lampada flash-erano "un cavallo di battaglia molto potente", afferma Gleason. "Ma ne abbiamo bisogno di più efficienti, quindi utilizziamo laser a stato solido-pompati-a diodi (DPSSL)."
Ciò significa che la catena di fornitura per i laser DPSSL deve essere rafforzata, perché tutti si stanno muovendo verso la piattaforma laser standard IFE per i test richiesti. "I laser accoppiati a fibra- sono un metodo per spostare la luce da un luogo a un altro, utilizzato ovunque dalle telecomunicazioni, ma poiché la comunità della fusione cerca di sfruttare l'attuale generazione di architetture laser e costruiamo laser più grandi, dobbiamo essere più attenti a come le cose vengono raffreddate. È uno spazio di innovazione per le aziende", afferma Gleason.
I laser ad eccimeri utilizzano il gas come mezzo e "hanno una lunga storia con il Dipartimento della Difesa (DoD) per le armi a energia diretta-", afferma Gleason. "È anche la base per un concetto di fusione. Si stanno facendo grandi progressi con i laser ad eccimeri, che poggiano su decenni di fisica e studi. Stiamo facendo progressi per avere un laser così potente-forse con un ingombro ridotto o con una migliore efficienza. Come si raffredda una struttura laser così grande? Questi sono i luoghi in cui le aziende private possono sviluppare la propria salsa segreta."
Hub di fusione STARFIRE e RISE
L'hub di fusione STARFIRE è guidato da LLNL, insieme a SLAC, per la commercializzazione dell'energia di fusione basata sul laser-. Il suo obiettivo è la progettazione di target ad alto-guadagno, la produzione di target e DPSSL. I membri includono il MIT; Università della California, Berkeley; Università della California, Los Angeles; Università della California, San Diego; Università dell'Oklahoma; Università di Rochester; Texas A&M; Istituto Fraunhofer per la tecnologia laser; Fondazione Livermore Lab; Laboratorio nazionale di Oak Ridge; Laboratorio nazionale di Savannah River; Focalizzata Energia Inc.; Atomica generale; Leonardo Elettronica USA; Longview Fusion Energy Systems Inc.; TRUMPF; e Xcimer Energy Corp.
Il team ha accesso ai laboratori laser presso SLAC, quindi ha l'opportunità di utilizzare la sorgente di luce coerente Linac (LCLS), l'unico laser a elettroni (XFEL) privo di raggi X (XFEL) negli Stati Uniti, per sondare e interrogare i materiali delle capsule o il combustibile di fusione. Funziona a 120 Hz, ma presto funzionerà anche in megahertz.
"Utilizziamo due laser contemporaneamente nei nostri esperimenti allo SLAC. Un laser a impulsi lunghi- trasmette onde d'urto nel campione, quindi lo analizziamo con l'LCLS per vedere cosa sta succedendo su scale temporali e di lunghezza più piccole per migliorare i nostri modelli fisici", afferma Gleason. "Dobbiamo confrontare mele con mele per valutare se il nostro modello fisico è corretto. Ciò è alla base non solo di ciò di cui hanno bisogno i laboratori nazionali, ma offre anche alle aziende private un modo per prevedere se parte del loro concetto funzionerà o meno (ad esempio, come stanno simulando il coinvolgimento del target). E stiamo fornendo loro questi dati critici sfruttando il nostro accesso a diverse piattaforme laser e strumentali."
Un altro hub, RISE, è guidato da SLAC e dalla Colorado State University e coinvolge esperti della Cornell University, dell'Università dell'Illinois, del Texas A&M, del Los Alamos National Laboratory, del Naval Research Laboratory e di aziende private-Xcimer Energy Corp., Blue Laser Fusion, Marvel Fusion e General Atomics-che lavorano su diversi approcci a un driver laser.
"Tutti hanno un approccio credibile", afferma Glenzer. "Ma non è che un'azienda cerchi di realizzare tutto ciò-questa è una comunità e un hub di fusione a livello nazionale. I ricercatori stanno cercando di far avanzare le tecnologie e stiamo imparando gli uni dagli altri per cercare di colmare le lacune tecnologiche e di ricerca entro il 2030."
A Glenzer viene spesso chiesto dagli investitori quale società di fusione sostenere. "Alcune aziende produttrici di laser possono guadagnare molto prima fornendo laser per abbattere i droni nello spazio di difesa", afferma. "Ma agli investitori l'idea non piace molto perché vogliono un mercato che serva solo fusione ed elettricità. In realtà vogliono che queste società facciano la fusione in modo da poter vendere elettricità. È davvero interessante quanto siano concentrati nel realizzare la fusione."
La comunità della fusione è "molto consapevole dei requisiti della catena di approvvigionamento affinché le società di fusione dispongano delle risorse non solo per sviluppare i loro piani pilota dimostrativi, ma anche per avere una flotta di reattori a lungo-termine", afferma Gleason. "Si tratta di un approccio su più fronti in termini di dove possiamo procurarci le materie prime e quindi i componenti fabbricati negli Stati Uniti, per creare una catena di approvvigionamento nazionale. Questa è la chiave."
2030 o 2040 per un impianto pilota a fusione?
I partenariati e i finanziamenti pubblici-privati sono cruciali per avvicinarsi all'immissione in rete della fusione-guidata dal laser negli anni '30.
"Il nostro ruolo è principalmente quello di sostenere e sminuire la tecnologia critica di cui l'industria della fusione e le aziende private hanno bisogno", afferma Gleason. "Ma alcune aziende dicono di aspettarsi che ciò avvenga nel corso degli anni '30."
Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha fissato un obiettivo per gli anni ’30. "Significa che vogliamo colmare tutte le lacune tecnologiche e di ricerca, alcune entro la metà degli anni '30, e poi costruire un impianto pilota", afferma Glenzer. "Dipende davvero da quanti soldi vengono investiti, ma è realistico aspettarsi un impianto pilota alla fine degli anni '30 o all'inizio degli anni '40."
