Da decenni, la comunità scientifica impegnata nella ricerca sulla fusione nucleare affronta una delle sfide più complesse: l’isotropia dei neutroni. Questo parametro è un indicatore cruciale della stabilità del plasma, essenziale per la scalabilità delle reazioni di fusione. Recentemente, i risultati ottenuti da Zap Energy hanno dimostrato che il loro dispositivo FuZE riesce a superare le problematiche che hanno afflitto in passato il metodo del Z pinch, generando neutroni isotropi che attestano l’avvenuta fusione termica.
Un passo avanti per la tecnologia di fusione
In ambito fisico, il termine isotropia si riferisce a un sistema in cui le proprietà rimangono costanti in tutte le direzioni. Nella fusione nucleare, l’isotropia dell’energia dei neutroni è fondamentale per valutare l’uniformità con cui i neutroni vengono emessi da un dispositivo. Questa uniformità è vitale per i seguenti motivi:
- Un plasma di fusione isotropico indica stabilità termica.
- Un plasma anisotropico suggerisce instabilità e compromette la sostenibilità della fusione.
Un recente studio condotto da Zap Energy, pubblicato sulla rivista Nuclear Fusion, fornisce prove convincenti che il loro approccio di Z-pinch stabilizzato da flusso tagliato genera una fusione termica stabile. Questa ricerca, realizzata utilizzando il dispositivo FuZE, rappresenta un traguardo significativo, dimostrando che la metodologia di Zap può essere scalata per raggiungere livelli di produzione energetica superiori. Uri Shumlak, Chief Scientist e co-fondatore di Zap, sottolinea che questa misura indica un equilibrio termodinamico del plasma, il che implica che raddoppiando le dimensioni del plasma, ci si può aspettare di mantenere lo stesso tipo di stabilità.
La dinamica dei neutroni
All’interno del nucleo del dispositivo Zap, i nuclei di idrogeno si fondono per formare elio, generando neutroni ad alta energia. Questi neutroni trasportano circa l’80% dell’energia derivante dalla reazione di fusione, rendendo cruciale la loro quantità. Tuttavia, non tutte le reazioni di fusione sono equivalenti. L’obiettivo di Zap è la fusione termica, che avviene quando i nuclei si uniscono grazie a temperature e pressioni estreme all’interno dei plasmi. Questo tipo di fusione produce neutroni energetici che aumentano esponenzialmente man mano che la corrente condotta attraverso il plasma viene incrementata.
Al contrario, la fusione beam-target, che si verifica quando un nucleo di idrogeno viene accelerato e colpisce un nucleo stazionario, è meno desiderabile. Questo tipo di fusione indica che il plasma è in uno stato di disequilibrio, rendendo difficile la scalabilità e la creazione di una fonte di energia sostenibile. Mentre la fusione termica produce neutroni con velocità isotropiche, la fusione beam-target genera neutroni in modo anisotropico, con energie variabili a seconda della direzione. Pertanto, analizzare le misurazioni dell’energia dei neutroni in diverse posizioni rappresenta un metodo efficace per valutare la proporzione di fusione termica nel dispositivo FuZE.
Test di isotropia nel FuZE
Per verificare l’isotropia dei neutroni nel dispositivo FuZE, il team di scienziati e ingegneri di Zap ha condotto una serie di esperimenti utilizzando rivelatori di neutroni dislocati attorno al dispositivo. Analizzando 433 impulsi di plasma generati con impostazioni identiche, i risultati hanno mostrato che i neutroni emessi erano quasi completamente isotropi.
Un significato storico
L’isotropia dei neutroni non è solo un parametro fondamentale per i progressi nella fisica della fusione, ma ha anche un’importanza storica per l’approccio di Zap. Il metodo del Z pinch è uno dei più antichi nella ricerca sulla fusione, risalente agli anni ’50. Gli scienziati che lavoravano sul dispositivo Zero Energy Thermonuclear Assembly (ZETA) nel Regno Unito avevano inizialmente sperato di utilizzare campi magnetici per comprimere un plasma sufficientemente forte da generare fusione. Tuttavia, il loro successo si è rivelato illusorio, poiché il dispositivo ha prodotto principalmente fusione beam-target a causa di instabilità nel campo magnetico.
Inoltre, mentre l’isotropia è diventata un punto critico per gli approcci basati sul pinch, tutte le tecnologie di fusione devono affrontare il rischio di misurazioni errate dovute a neutroni beam-target. Un esempio è il dispositivo noto come dense plasma focus (DPF), che è stato ampiamente scartato come un’opzione praticabile per la fusione.
Verso una fusione scalabile
Consapevole del peso della sua storia, Zap ha misurato per la prima volta la fusione termica nel 2018. I nuovi test, condotti con maggiore sensibilità e a energie più elevate, confermano che i flussi tagliati possono mitigare le instabilità che hanno ostacolato i precedenti tentativi di Z pinch. La fusione termica Z-pinch scalabile, senza la necessità di magneti esterni per il confinamento, continua a mostrare un potenziale promettente.
Shumlak afferma che l’articolo rappresenta un’importante considerazione per la fisica, evidenziando l’impegno profuso nel condurre misurazioni precise.
Prepararsi per il futuro
Dal suo ingresso in Zap nel 2023, Rachel Ryan ha assunto un ruolo di primo piano nella pianificazione e nell’esecuzione delle misurazioni dei neutroni, costruendo sul lavoro di collaboratori e coautori del Lawrence Livermore National Lab. Il prossimo obiettivo del team è di ripetere lo stesso insieme di test a energie più elevate sul dispositivo FuZE-Q. I risultati preliminari sono incoraggianti. “Man mano che continuiamo a scalare, è fondamentale per noi monitorare costantemente queste misurazioni e verificare se la fusione beam-target influisce sui nostri rendimenti”, afferma Ryan.
È interessante notare che l’articolo evidenzia anche come i neutroni tendano a diventare meno isotropi e a perdere uniformità verso la fine di ogni impulso. I ricercatori ipotizzano che questa fase possa indicare un momento in cui il pinch diventa instabile, prima di interrompersi e cessare di generare fusione. Comprendere questa fase potrebbe fornire informazioni preziose su come mantenere le instabilità sotto controllo, aumentando così la durata e le prestazioni del plasma.
Riferimento
Misurazione temporale dell’isotropia dell’energia dei neutroni in un Z pinch stabilizzato da flusso tagliato di R.A. Ryan, P.E. Tsai, A.R. Johansen, A.E. Youmans, D.P. Higginson, J.M. Mitrani, C.S. Adams, D.A. Sutherland, B. Levitt e U. Shumlak, 31 gennaio 2025, Nuclear Fusion. DOI: 10.1088/1741-4326/ada8bf.
