La fusione nucleare è spesso considerata il “Sacro Graal” dell’energia, poiché promette di fornire enormi quantità di energia senza le emissioni di gas serra associate ai combustibili fossili e senza i rifiuti radioattivi a lungo termine delle centrali nucleari tradizionali. Tuttavia, raggiungere condizioni di fusione stabile e sostenibile è una sfida complessa: oltre a raggiungere temperature estreme, è necessario al tempo stesso avere il controllo totale sul plasma, affinché non diventi instabile. Tutto questo sembra essere ormai (quasi) risolto, a giudicare dagli ultimi risultati ottenuti dalla startup americana Zap Energy con la sua tecnologia innovativa.
Svolta nella fusione nucleare: plasma stabile anche senza campi magnetici
In un recente comunicato, la Zap Energy ha dichiarato che per la prima volta la sua tecnologia è riuscita a mantenere un plasma termico stabile senza l’utilizzo di campi magnetici, un risultato che potrebbe accelerare il cammino verso l’energia da fusione pratica e scalabile.
La tecnologia in questione è il dispositivo FuZE (Fusion Z-pinch Experiment), che è stato oggetto di diversi test da parte del team di ricercatori della startup. Dopo aver analizzato 433 “colpi” di plasma in condizioni identiche, i ricercatori hanno scoperto che le emissioni di neutroni erano quasi completamente isotropiche. In poche parole, le emissioni erano uniformi in tutte le direzioni, e non irregolari. Segno che il plasma alla base della fusione è stabile.
“Essenzialmente, questa misurazione indica che il plasma si trova in un equilibrio termodinamico“, afferma Uri Shumlak, Chief Scientist e co-fondatore di Zap. “Ciò significa che possiamo raddoppiare le dimensioni del plasma e aspettarci che esista lo stesso tipo di equilibrio“.
Isotropia, la ricetta per la scalabilità della fusione nucleare
Per “isotropia” si intende un sistema le cui proprietà rimangono invariate in ogni direzione. Nell’ambito della fusione nucleare, l’isotropia delle emissioni neutroniche rappresenta un parametro cruciale, in quanto misura la distribuzione dei flussi di neutroni generati dal reattore e ne valuta l’uniformità.
Questo aspetto è fondamentale perché un plasma di fusione isotropo indica un ambiente termico stabile, con il potenziale di essere scalato per ottenere guadagni energetici più elevati. Al contrario, un plasma anisotropo, caratterizzato da emissioni neutroniche irregolari, potrebbe costituire un ostacolo al progresso verso una fusione efficiente.
Come racconta la startup, il loro processo di fusione si basa sulla fusione termica, in cui i nuclei di idrogeno si fondono in elio in condizioni di calore e pressione estremi, rilasciando neutroni ad alta energia che trasportano l’80% dell’energia della reazione. Pertanto, più neutroni vengono prodotti, maggiore è il potenziale energetico. Tuttavia, non tutte le reazioni di fusione sono ideali. Un esempio è la fusione fascio-bersaglio (beam-target), in cui nuclei di idrogeno in rapido movimento colpiscono nuclei stazionari: non garantisce un plasma stabile, e non è quindi efficace per ottenere un bilancio energetico positivo.
Riassumendo, la fusione termica produce neutroni con energia isotropa, uniforme in tutte le direzioni, mentre la fusione fascio-bersaglio provoca emissioni anisotrope, in cui le energie dei neutroni variano in base alla direzione. Misurare questa isotropia è essenziale per determinare quanto un processo di fusione sia effettivamente termico. Se i neutroni emessi sono prevalentemente anisotropi, significa che la fusione non è scalabile per la produzione netta di energia.
Il superamento delle sfide storiche della fusione a Z pinch
I risultati raggiunti non sono solo un successo per la startup, ma anche per il concept su cui si basa la loro tecnologia proprietaria, ovvero il Z-pinch. Risalente agli anni ’50 con l’esperimento ZETA nel Regno Unito, inizialmente il Z-pinch veniva considerato un concept di successo, perché i primi scienziati erano riusciti a sviluppare delle interazioni attraverso campi magnetici che “pizzicavano” un plasma abbastanza forte da creare la fusione. Poco dopo scoprirono invece che erano interazioni di tipo beam-target, che impedivano il guadagno netto di energia. Questo problema ha ostacolato per decenni le tecnologie di fusione basate sul Z-pinch.
Anni dopo, la startup Zap Energy ha voluto far “resuscitare” questa tecnica, sviluppando un approccio stabilizzato dal flusso tagliato (sheared-flow-stabilized Z pinch). In poche parole, l’approccio di Zap prevede l’utilizzo di particolari flussi che ritardano queste instabilità, eliminando la necessità di campi magnetici esterni. Dopo aver osservato la fusione termica per la prima volta nel 2018, l’azienda ha ora confermato i suoi risultati con misurazioni più precise e a energie più elevate, dimostrando che è possibile ritardare le instabilità e rendere la fusione scalabile senza magneti.
Questo progresso è significativo se si considera che molte tecnologie di fusione concorrenti, come i tokamak e le macchine a confinamento inerziale, richiedono complessi sistemi di magneti superconduttori o potenti laser per mantenere il plasma stabile. Il fatto che Zap possa ottenere risultati simili con una configurazione più semplice potrebbe ridurre significativamente i costi e i tempi di sviluppo della fusione commerciale.
Attualmente, il team di Zap sta testando l’isotropia dei neutroni a energie più elevate sul dispositivo FuZE-Q, con risultati preliminari promettenti. Gli scienziati stanno anche studiando la diminuzione dell’isotropia dei neutroni osservata verso la fine di ogni “colpo”, un fenomeno che potrebbe fornire indizi preziosi per migliorare ulteriormente le prestazioni del sistema.
