Fusione nucleare, il film atomico dell’oro per i futuri reattori

SCOPERTE – Lo sviluppo di nuovi materiali diventa sempre più necessario per la progettazione e realizzazione dei futuri reattori per la fusione nucleare. Un importante passo avanti in questo campo è stato messo a segno dagli scienziati dello SLAC National Accelerator Laboratory dell Stanford University, che grazie allo strumento per la diffrazione ultraveloce elettronica (UED) della camera elettronica ad alta velocità hanno osservato per la prima volta la coesistenza dello stato solido e liquido in un film atomico d’oro scaldato da un laser. Lo studio pubblicato sulla rivista Science fornisce così importanti nuove informazioni sulla natura dei materiali e sulla loro capacità di resistere a condizioni ambientali estreme, proprio come le altissime temperature che si raggiungono all’interno dei reattori per la fusione nucleare.

L’obiettivo da raggiungere con la fusione nucleare è ambizioso: la produzione di energia in modo pulito e sicuro dalla fusione di due nuclei atomici leggeri in uno più pesante. Per farlo, è necessario ricreare nei reattori le condizioni che si verificano nei nuclei delle stelle, proprio come il nostro Sole, con il plasma formato dalla fusione che è sottoposto a condizioni estreme di temperatura e pressione. Diventa allora indispensabile individuare i migliori materiali che siano in grado di sopportare temperature dell’ordine di migliaia di milioni di gradi Celsius e delle intense radiazioni emesse dal processo.

I ricercatori dello SLAC National Laboratory guidati da Siegfried Glenzer, capo della divisione di High Energy Density Science, si sono avvalsi dello strumento UED che è in grado di tracciare i movimenti nucleari grazi alla sua velocità di acquisizione di immagini dell’ordine di 100 femtosecondi, cioè 100 milionesimi di miliardesimi di secondo. Per studiare il processo di fusione gli scienziati hanno scelto un campione di cristalli di oro e lo hanno colpito con un fascio laser. Poi hanno utilizzato il fascio di elettroni di UED come una sonda per fotografare, istante per istante, le strutture atomiche e le loro variazioni. Il risultato è stato un film in stop-motion che ha permesso di osservare come la struttura cristallina del campione varia in funzione del tempo.

Il team ha così scoperto che la fusione inizia sulla superficie dei grani nanometrici, dalle dimensioni dell’ordine del miliardesimo di metro, cioè su quelle regioni dove gli atomi di oro si allineano in ordinate strutture cristalline e ai bordi di queste regioni. Glenzer ha spiegato:

“Questo comportamento è stato previsto da precedenti studi teorici, ma ora lo abbiamo osservato per la prima volta. Il nostro metodo ci permette di esaminare il comportamento di ogni materiale in condizioni ambientali estreme in dettaglio atomico, che è la chiave per comprendere e predire le proprietà di questi materiali e aprire la strada verso la progettazione di quelli futuri”.

In particolare, i ricercatori hanno osservato la coesistenza dello stato solido e liquido nel campione di oro, che indica come il processo di liquefazione non sia omogeneo, ma avvenga in “tasche”, cioè con la formazione di punti liquidi circondati da solido. Zhijang Chen, uno degli autori dello studio e ricercatore dello SLAC, ha spiegato:

“Tra i 7 e gli 8 trilionesimi di secondo dopo il flash del laser, abbiamo osservato il solido diventare liquido. Ma il solido non si fonde ovunque allo stesso tempo. Invece, abbiamo osservato la formazione di tasche di liquido circondante da oro solido. Questo mix si evolve nel tempo fino a quando solo il liquido rimane dopo circa un miliardesimo di secondo”.

Osservare questo tipo di processo in dettaglio atomico non è stato facile. I ricercatori infatti hanno sfruttato la velocità dello strumento UED, in modo da tracciare precisamente i rapidi movimenti dei nuclei atomici. Un altro aspetto da tenere in considerazione è che il processo di fusione è distruttivo, dunque non reversibile, come ha sottolineato Xijie Wan, a capo del progetto UED:

“Nel nostro esperimento il campione viene alla fine fuso e vaporizzato. Ma anche se siamo riusciti a raffreddarlo affinché diventasse di nuovo solido, la struttura finale non era esattamente combaciante con quella di partenza. Il nostro obiettivo è stato raccogliere tutte le informazioni strutturali per ogni fermo immagine del film atomico in un singolo esperimento iniziale e questo è stato possibile perché il nostro strumento utilizza un fascio elettronico molto energetico che produce un fortissimo segnale”.

L’esperimento rappresenta così un importante passo avanti nella progettazione di materiali che siano in grado di resistere a condizioni estreme, come quelle che si verificano nei reattori, ha spiegato Mianzhen Mo, ricercatore dello SLAC e uno degli autori dello studio:

“Il nostro lavoro ci ha permesso di ottenere una migliore previsione sugli effetti che le condizioni estreme esercitano sui materiali nei reattori, inclusi i metalli pesanti come appunto l’oro. Avere una descrizione a livello atomico del processo di fusione ci aiuterà a realizzare modelli migliori sia a corto che a lungo termine su come questi materiali siano soggetti a danneggiamento, dalla formazione di crepe al loro deterioramento”.

I risultati raggiunti dal team di Glenzer però non si fermano alla progettazione dei reattori di fusione nucleare del futuro. Dagli impianti di lavorazione dell’acciaio alla costruzione di sonde spaziali, conoscere in dettaglio atomico le caratteristiche dei materiali ne permetterà l’utilizzo in tutte le potenziali applicazioni che ne richiedono l’esposizione per un lungo periodo a condizioni estreme.

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