La NASA rileva la fusione nucleare confinata in un reticolo metallico

Lattice Confinement Fusion

Fusione nucleare su scala molto piccola, grazie a un fenomeno noto in inglese come “lattice confinement fusion”, più o meno del confinamento chimico. Sarebbe la svolta utile a risolvere uno dei problemi dell’esplorazione nello Spazio profondo: quello dell’esaurimento del carburante. Disporne di potenzialmente infinito, grazie a una specie di centrale atomica portatile, spalancherebbe orizzonti imprevedibili a mezzi e navicelle del futuro. Marte inclusa.

Ora un team della Nasa ha di recente svelato un metodo per innescare questa fusione nucleare spaziale fra gli atomi di un metallo allo stato solido. Due i paper pubblicati su Physical Review nei mesi scorsi. Come noto, la fusione nucleare è un processo che produce energia quando due nuclei si uniscono fino a formarne uno di un nuovo elemento chimico. “Gli scienziati sono interessati alla fusione perché è in grado di produrre enormi quantità di energia senza creare sottoprodotti e scorie radioattive dalla lunghissima decadenza” ha spiegato Theresa Benyo, PhD del Glenn Research Center della Nasa. “Tuttavia, le reazioni convenzionali di fusione sono difficili da innescare e alimentare perché occorrono temperature così estreme da superare l’alta repulsione elettrostatica fra nuclei con carica positiva”.

Foto di Alexander Antropov da Pixabay

Nel meccanismo studiato dalla Nasa – che poi, su scala infinitamente maggiore è curiosamente lo stesso che consente la formazione delle stelle – il deuterio, uno degli elementi non radioattivi che vengono utilizzati per la fusione, di solito in coppia con il trizio, viene intrappolato in uno spazio all’interno di un metallo allo stato solido, fino a scatenare una reazione. Accompagnata però da una specie di “principio Riccioli d’oro”, come lo chiamano gli esperti dalla protagonista della fiaba “I tre orsi” (in cui la protagonista assaggia tre diverse ciotole di porridge e scopre che preferisce quella che non è né troppo calda né troppo fredda). Per quello che ci riguarda, e fuori di metafora, il metodo - che in fondo rientra nel grande e controverso ambito delle fusioni a freddo - serve a evitare surriscaldamenti o raffreddamenti estremi legati alle altre tecniche in fase di sperimentazione (plasma o inerziale) ma consentendo comunque agli atomi di fondersi, “spingendoli” con la giusta energia a produrne di ulteriore per alimentare i mezzi spaziali o le loro esigenze.

Questo tipo di confinamento della reazione schiva dunque i problemi del metodo del confinamento magnetico e al contempo di quello “inerziale”, contenendo le temperature: “Nel nuovo metodo, le condizioni sufficienti per la fusione sono realizzate entro i confini di un reticolo metallico mantenuto a temperatura normale e ricco di deuterio” spiegano dalla Nasa, garantendo che la nuova struttura, dove l’elemento chimico è stoccato in modo estremamente più denso all’interno di quel reticolo composto di erbio (una terra rara), consenta di innescare la reazione, accelerando gli atomi dell’isotopo dell’idrogeno, senza squilibri e sbilanciamenti di temperatura.

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Sarebbe, appunto, un incredibile passo in avanti. Soprattutto per quei progetti che ruotano intorno ai cosiddetti “tokamak”, i reattori a fusione nucleare con nome ereditato dall’epoca sovietica, o gli “stellarator”: nel primo caso enormi ciambelle al cui interno gli scienziati di molti paesi (esistono diversi progetti cofinanziati da molti governi internazionali) che sperano di riprodurre e addomesticare, sulla Terra, lo stesso processo che avviene appunto in ogni istante nel Sole e nelle stelle; nel secondo, strumenti usati per confinare il plasma caldo con dei campi magnetici e poter così sostenere una reazione nucleare di fusione controllata.

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“Le scoperte aprono una nuova strada negli studi sulla fusione nucleare – ha concluso Bruce Steinetz sempre del Glenn Research Center – tuttavia i tassi di reazione devono essere aumentati in modo sensibile per raggiungere livelli apprezzabili di energia, cosa che sarà possibile utilizzando vari metodi di moltiplicazione delle reazioni che stiamo approfondendo”. Fonte: qui

La NASA rileva la fusione nucleare confinata in un reticolo metallico

Un team di ricercatori della NASA alla ricerca di una nuova fonte di energia per le missioni di esplorazione dello spazio profondo, ha recentemente rivelato un metodo per innescare la fusione nucleare nello spazio tra gli atomi di un solido metallico.

La loro ricerca è stata pubblicata in due articoli sottoposti a revisione paritaria nella principale rivista del settore, Physical Review C, Volume 101 (aprile 2020) : " Reazioni di fusione nucleare nei metalli deuterati " e " Nuove reazioni nucleari osservate nei metalli deuterati irradiati con bremsstrahlung . "

La fusione nucleare è un processo che produce energia quando due nuclei si uniscono per formare un nucleo più pesante. "Gli scienziati sono interessati alla fusione, perché potrebbe generare enormi quantità di energia senza creare sottoprodotti radioattivi di lunga durata", ha detto Theresa Benyo, Ph.D., del Glenn Research Center della NASA. "Tuttavia, le reazioni di fusione convenzionali sono difficili da ottenere e sostenere perché si basano su temperature così estreme per superare la forte repulsione elettrostatica tra nuclei caricati positivamente che il processo è stato impraticabile".

Chiamato Lattice Confinement Fusion, il metodo rivelato dalla NASA realizza reazioni di fusione con il carburante (deuterio, un isotopo di idrogeno non radioattivo ampiamente disponibile composto da un protone, neutrone ed elettrone, e indicato con "D") confinato nello spazio tra gli atomi di un solido di metallo. In precedenti ricerche sulla fusione, come la fusione a confinamento inerziale, il carburante (come il deuterio / trizio) viene compresso a livelli estremamente elevati ma solo per un breve periodo di tempo di nanosecondi, quando può verificarsi la fusione. Nella fusione a confinamento magnetico, il combustibile viene riscaldato in un plasma a temperature molto più elevate di quelle al centro del Sole. Nel nuovo metodo, le condizioni sufficienti per la fusione vengono create nei confini del reticolo metallico che viene mantenuto a temperatura ambiente. Mentre il reticolo metallico, caricato con combustibile deuterio,

Fotografia dei metalli deuterati esposti alla radiazione bremsstrahlung durante la prova. Durante l'esposizione, l'erbio deuterato (ErD 3 ) ha mostrato segni di reazioni di fusione.

Un metallo come l'erbio è "deuterato" o caricato con atomi di deuterio, "deuteroni", che imballano il combustibile un miliardo di volte più denso rispetto ai reattori a fusione a confinamento magnetico (tokamak). Nel nuovo metodo, una sorgente di neutroni "riscalda" o accelera i deuteroni in modo tale che quando si scontra con un deuterone vicino provoca reazioni di fusione DD. Negli esperimenti in corso, i neutroni sono stati creati attraverso la fotodissociazione dei deuteroni tramite l'esposizione a un fascio di 2,9 + MeV gamma (raggi X energetici). Dopo l'irradiazione, alcuni deuteroni combustibili si dissociano dando luogo sia ai neutroni energetici necessari che ai protoni. Oltre a misurare i neutroni della reazione di fusione, il team di Glenn ha anche osservato la produzione di neutroni ancora più energetici che sono la prova di reazioni di fusione potenziate o reazioni di strippaggio nucleare schermate di Oppenheimer-Phillips (OP) con gli atomi del reticolo metallico. Entrambe le reazioni aprono un percorso per elaborare il ridimensionamento.

Illustrazione dei principali elementi del processo di fusione del confinamento reticolare osservato. Nella parte (A), un reticolo di erbio è caricato con atomi di deuterio (cioè, erbio deuteruro), che esistono qui come deuteroni. Dopo l'irraggiamento con un fascio di fotoni, un deuterone si dissocia e il neutrone e il protone vengono espulsi. Il neutrone espulso si scontra con un altro deuterone, accelerandolo come un "d *" energetico come si vede in (B) e (D). La "d *" induce una fusione schermata (C) o reazioni di stripping di Oppenheimer-Phillips (OP) schermate (E). In (C), l'energica "d *" entra in collisione con un deuterone statico "d" nel reticolo e si fondono insieme. Questa reazione di fusione rilascia un neutrone ed elio-3 (mostrato) o un protone e trizio. Questi prodotti di fusione possono anche reagire nelle successive reazioni nucleari, rilasciando più energia. In (E), un protone viene strappato da una "d *" energetica e viene catturato da un atomo di erbio (Er), che viene quindi convertito in un elemento diverso, il tulio (Tm). Se invece il neutrone viene catturato da Er, si forma un nuovo isotopo di Er (non mostrato).

Una nuova caratteristica del nuovo processo è il ruolo critico svolto dagli elettroni del reticolo metallico le cui cariche negative aiutano a "schermare" i deuteroni caricati positivamente. Tale schermatura consente ai nuclei di combustibile adiacenti di avvicinarsi più da vicino, riducendo la possibilità che si disperdano semplicemente l'uno dall'altro e aumentando la probabilità che attraversino la barriera elettrostatica promuovendo la fusione. Questo è secondo la teoria sviluppata dal fisico teorico del progetto, Vladimir Pines, Ph.D, di PineSci.

“Le attuali scoperte aprono una nuova strada per avviare reazioni di fusione per ulteriori studi all'interno della comunità scientifica. Tuttavia, le velocità di reazione devono essere aumentate in modo sostanziale per raggiungere livelli di potenza apprezzabili, che possono essere possibili utilizzando vari metodi di moltiplicazione delle reazioni in esame ", ha affermato Bruce Steinetz, Ph.D. di Glenn, ricercatore principale del progetto della NASA.

"La chiave di questa scoperta è stato il talentuoso team multidisciplinare che la NASA Glenn ha riunito per indagare sulle anomalie di temperatura e sulle trasmutazioni dei materiali che erano state osservate con metalli altamente deuterati", ha affermato Leonard Dudzinski, Chief Technologist per Planetary Science, che ha supportato la ricerca . "Avremo bisogno di questo approccio per risolvere sfide ingegneristiche significative prima di poter progettare un'applicazione pratica".

Con più studio e sviluppo, le applicazioni future potrebbero includere sistemi di alimentazione per missioni di esplorazione spaziale di lunga durata o propulsione nello spazio. Potrebbe anche essere utilizzato sulla Terra per l'energia elettrica o la creazione di isotopi medici per la medicina nucleare.

Pubblicazioni

La NASA rileva la fusione dei confini del reticolo	Nuove reazioni nucleari osservate nei metalli deuterati irradiati da Bremsstrahlung	Reazioni di fusione nucleare nei metalli deuterati
Osservazioni sperimentali dell'attività nucleare in materiali deuterati sottoposti a un fascio di fotoni a bassa energia	Valutazione dell'energia gamma per la creazione di isotopi Cd-111 (sub m), In-113 (sub m) e In-115 (sub m)	Indagine su materiali caricati di deuterio soggetti a esposizione ai raggi X.
La NASA GRC ospita il seminario virtuale sulla fusione del confinamento del reticolo	Panoramica su Lattice Confinement Fusion (LCF)	Spettroscopia veloce dei neutroni con rivelatori a scintillazione organica in un campo di radiazioni elevate

immagini

La reazione di fusione risulta da uno dei test eseguiti. (a) Spettri di neutroni osservati durante l'esposizione gamma dell'erbio deuterato (ErD3) che mostrano evidenza di neutroni con energia di fusione (~ 2,5 MeV). Il grafico mostra anche la presenza di neutroni di energia superiore 4-5 MeV che indica che si sono verificati altri processi nucleari. Si ritiene che queste siano reazioni schermate di Oppenheimer-Phillips che possono indicare una via per aumentare le velocità di reazione, importanti per applicazioni future. (b) I dati dell'attuale lavoro della NASA sono coerenti con i neutroni di energia di fusione osservati in un reattore a fusione a confinamento magnetico tokamak ENEA-Fusion, mostrato nella figura inferiore.

Video

Il viaggio LCF del team GRC

Reazioni di fusione nucleare nei metalli deuterati