Il processo di ignizione è un requisito fondamentale per poter innescare la fusione, ma oltre a questo, ci sono altri fattori importanti da considerare nella progettazione e nella realizzazione di un reattore che sia in grado di immettere potenza nella rete elettrica con una certa efficienza [12].
Il parametro più importante da considerare è il guadagno G che deve ecce-dere il più possibile l’energia spesa per realizzare l’ignizione e che deve essere almeno pari a 10. Il complesso di laser del progetto NIF, in base alle spe-cifiche tecniche di costruzione dovrebbe conseguire guadagni dell’ordine di 10-20, ma in base a studi recenti sembra che sia possibile ottenere guadagni più elevati. Questo dovrebbe essere realizzabile tramite un diverso schema di ignizione, ovvero la fast ignition.
Figura 3.2: Fusione inerziale a ignizione veloce: l’hot spot viene creato da un impulso laser ultraintenso nel combustibile compresso
Lo schema di ignizione veloce è basato sulla separazione della fase di com-pressione del combustibile, ottenuta con lo schema convenzionale di irraggia-mento, dalla successiva fase di generazione dell’hot spot, tramite un secondo apposito impulso; questo approccio non richiede la generazione di una zona centrale altamente simmetrica e ad altissima temperatura.
Questo processo risulta energeticamente molto più efficiente in quanto con-sentirebbe di realizzare l’ignizione con impulsi laser di energia molto minore rispetto a quelli necessari nello schema ad ignizione centrale e di ottenere inoltre guadagni superiori a 200, con impulsi di energia totale di circa 1 MJ. Il problema principale in termini di progettazione e realizzazione consiste nel disporre di una sorgente capace di creare l’hot spot nel combustibile compres-so concentrando l’energia in una zona molto piccola e per tempi molto ridotti, che devono essere inferiori al tempo di confinamento della zona centrale. In base a simulazioni numeriche per ignire una miscela di deuterio e trizio a densità di 300 g/cm3 è necessario depositare un’energia E = 20 kJ in un tempo τ = 20 ps in un volume di combustibile di dimensioni lineari di 40 µm. Potenza e intensità corrispondenti sono dell’ordine rispettivamente di 1 PW e 1020W/cm2 e possono essere ottenuti tramite la CPA.
L’interazione di impulsi laser di questo tipo con il plasma coronale gene-ra elettroni relativistici di energia T di alcuni MeV, che propagandosi nella regione compressa, cedono la loro energia agli ioni del combustibile riscal-dandolo alle temperature necessarie per l’ignizione.
Generando questi elettroni in modo opportuno e trasportandoli in maniera efficiente dalla regione di plasma a bassa densità alla regione di plasma com-presso, diventa allora possibile generare l’hot spot dall’esterno. In base a esperimenti si è trovato che l’energia dell’impulso laser si trasmette al pla-sma compresso con un’efficienza circa del 25% e che nella fase successiva alla compressione e riscaldamento del bersaglio, l’accoppiamento dell’impulso di ignizione breve e ultraintenso, con il plasma compresso, può essere facilita-to tramite l’utilizzo di un’apposita configurazione a “guida conica”. Questa configurazione prevede l’inserimento di un cono cavo nel bersaglio sferico in cui si propaga il fascio intenso, che diffondendo nel vuoto raggiunge così il combustibile senza dover attraversare uno spesso strato di plasma.
Il principale problema legato a questo meccanismo di ignizione è dovuto al fatto che non si ha ancora una comprensione completa dei meccanismi di trasporto degli elettroni, della loro propagazione e del conseguente rilascio di energia all’interno del combustibile compresso.
3.1 Fusione inerziale 39
Figura 3.3: Configurazione a guida conica
L’ignizione veloce può essere realizzata anche utilizzando fasci di proto-ni, con notevoli vantaggi rispetto alla configurazione che sfrutta gli elettroni relativistici [13]. Questo schema consiste nell’utilizzare protoni di decine di MeV accelerati sulla superficie posteriore di un bersaglio sottile, tramite interazione laser-materia. Questi fasci, rispetto a quelli di elettroni, sono maggiormente penetranti e quindi in grado di raggiungere più efficacemente e più in profondità le zone del bersaglio ad alta densità, dove si deve for-mare l’hot spot. L’utilizzo di fasci di protoni risulta essere più vantaggioso anche perché questi sono più stabili, in quanto accompagnati da un nuvola schermante di elettroni e perché possono essere generati in prossimità del bersaglio, ovviando così al problema del loro trasporto.
In Europa è attualmente in fase di progettazione il complesso HiPER, ov-vero High Power Laser for Energy Research, destinato principalmente a stu-di sulla fast ignition e sulla fusione a confinamento inerziale [12]. L’obiettivo primario di questa f acility è appunto di realizzare l’ignizione veloce con un alto guadagno energetico, utilizzando un laser di dimensioni e costi significa-tivamente inferiori rispetto a quelli di NIF. Il progetto prevede l’installazione di un sistema laser impulsato a molti fasci, capace di fornire un primo impulso per comprimere il combustibile e un secondo impulso ultraintenso, di durata ultrabreve, per realizzare l’ignizione necessaria all’innesco delle reazioni di fusione nucleare. L’impulso laser previsto per la compressione ha lunghezza d’onda pari a λ = 0.35µm, energia totale di 250 kJ, durata di alcuni ns ed è trasportato da 60 fasci focalizzati in modo da irraggiare simmetricamente il bersaglio. L’impulso per l’ignizione avrà probabilmente lunghezza d’onda λ = 0.53µm, energia di 70-100 kJ, durata di circa 10 ps e sarà focalizzato su una regione di diametro inferiore a 40µm.
Figura 3.5: Schema della facility di HiPER: a) 60 fasci convergono nella came-ra sperimentale; b) e c) l’impulso ultcame-raintenso per l’ignizione viene focalizzato nello specchio