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Il confinamento inerziale

Il confinamento inerziale
Settembre 13
16:51 2014

Il laser abc nei laboratori enea di FrascatiSono noti poco più di un centinaio di elementi diversi, che costituiscono le basi della materia e che, mediante legami chimici, possono formare composti complessi. Gli atomi di questi elementi sono caratterizzati dal numero di protoni e di neutroni presenti nel nucleo. Attraverso reazioni di aggregazione (fusione) o scomposizione (fissione) i nuclei atomici possono subire trasformazioni e, poiché le forze di legame nucleare sono molto maggiori di quelle tipiche dei legami chimici, è possibile avere reazioni nucleari che sviluppano enormi quantità di energia.

Gli astrofisici dello scorso secolo hanno identificato nei processi di fusione nucleare il meccanismo utilizzato dalle stelle per produrre l’energia sufficiente a mantenere la loro evoluzione senza collassare sotto l’enorme pressione delle forze gravitazionali che attraggono tutta la loro massa verso il centro. Di fatto le stelle compiono un ciclo evolutivo durante il quale elementi leggeri si fondono insieme e producono elementi più pesanti. Ciò avviene perché gran parte delle stelle contiene materia sotto forma di plasma caldo, un sistema fisico nel quale le forze nucleari a corto raggio possono avere la meglio sulle repulsioni elettrostatiche tra particelle di carica simile.
Il primo gradino dell’evoluzione stellare utilizza atomi dell’elemento più leggero, l’idrogeno, che fondendosi formano atomi di elio. Questa sarà anche la reazione utilizzata dai primi reattori a fusione. Un reattore basato su processi di fusione nucleare avrebbe indubbi vantaggi di sicurezza, disponibilità di combustibile ed economicità, il prezzo da pagare essendo la complessità fisica, ingegneristica e tecnologica. Sul nostro pianeta, infatti, produrre e tenere insieme plasmi di centinaia di milioni di gradi, dove avvenga un numero significativo di reazioni, è un compito formidabile.
Le macchine tokamak utilizzano correnti elettriche e campi magnetici per creare e tenere insieme plasmi di alta temperatura. Questi plasmi hanno tipicamente densità simili a quelle di un gas rarefatto (dell’ordine di 100mila volte minore della densità atmosferica), volumi dell’ordine dei metri cubi e possono essere mantenuti in vita per tempi molto lunghi. L’esperimento Iter, che dimostrerà la fattibilità di questa linea in un regime con produzione significativa di reazioni di fusione, entrerà in funzione tra poco più di dieci anni.
Una linea alternativa di grande interesse è basata sullo studio di plasmi di alta densità, che si possono ottenere per implosione veloce di piccole sfere cave contenente il combustibile. Plasmi di questo tipo possono raggiungere densità migliaia di volte maggiori di quelle di un solido e pressioni di milioni di atmosfere; tuttavia, non essendo tenuti insieme da forze esterne, durano poche centinaia di nanosecondi (miliardesimi di secondo). Questo metodo è noto come ‘confinamento inerziale‘.
I laser sono strumenti idonei per ottenere le rapide compressioni richieste. Queste sorgenti possono fornire impulsi rapidi e intensi di radiazione luminosa concentrati su piccole dimensioni. L’impulso di luce provoca l’ablazione della corteccia della capsula e, per reazione, la compressione del rimanente materiale.
Nei laboratori dell’Enea di Frascati è presente l’istallazione che può produrre la maggiore energia laser per impulso in Italia. Utilizzando due fasci laser si studia l’interazione della luce con la materia, la stabilità dei plasmi e la loro emissione di energia e particelle.

Fasi della implosione di un bersaglio per la fusione inerziale  Fasi della implosione di un bersaglio per la fusione inerziale
1. L’irraggiamento laser fa espandere la corteccia esterna della sfera del combustibile
2. Per reazione alla espansione il combustibile centrale viene compresso.
3. Con la compressione il combustibile si scalda e si innescano le prime reazioni
4. I processi di fusione si estendono a tutta la massa di combustibile 
   
La camera di interazione del laboratorio ABC  La camera di interazione del laboratorio ABC nella quale i fasci laser (colore verde) incidono sul bersaglio da direzioni opposte

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