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Advancing shock ignition for direct-drive inertial fusion

Introduzione e obbiettivi del progetto

Il progetto è finanziato da Eurofusion (European Consortium for the Development of Fusion Energy), è cominciato nella primavera 2021 e terminerà nel 2024. E’ la naturale continuazione dei due progetti precedenti 2017-2018 e 2019-2020, e mira a realizzare un programma di ricerca sullo “Shock Ignition” (SI), uno schema promettente per la fusione a confinamento inerziale proposto da R. Betti. Lo SI si basa sulla separazione della fase di compressione del combustibile termonucleare da quella di ignizione, ottenuta da un impulso laser di alta intensità (fino a 10¹⁶ W/cm² per la durata di 300-500 ps). La fattibilità dello schema dipende dall’accoppiamento di tale picco con la corona precompressa in modo da produrre un’onda d’urto molto intensa (almeno 300 Mbar sul fronte di ablazione). Lo schema è compatibile con la tecnologia laser attuale (utilizzata per costruire NIF e LMJ) e sarà quindi probabilmente testata nel prossimo decennio.

L’inizio delle attività del laser LMJ/PETAL e la possibilità di svolgervi esperimenti di carattere civile da parte di gruppi accademici rende possibile, per la prima volta, eseguire esperimenti di fusione inerziale “full-scale” in Europa. Oltre a sfruttare questa possibilità, i partecipanti di questo progetto porteranno avanti esperimenti di preparazione presso il Prague Asterix Laser System (PALS) a Praga, Shen Guang II and III in Cina e Omega (Università di Rochester), con l’obbiettivo di rispondere ad alcune problematiche fisiche aperte e di consolidare una comunità di ricerca Europea, che già lavora  su esperimenti di fusione inerziale su grandi laser. Altri esperimenti in programma, coordinati dal laboratorio ILIL, si svolgeranno presso il laser Vulcan ai laboratori CLF e a GEKKO XII a Osaka.

Il progetto è organizzato in 5 Work Packages ed ognuno di questi include una parte sperimentale ed una teorica.
• WP1: la caratterizzazione degli “elettroni veloci” nel regime di interazione rilevante per la “SI” e il loro effetto sulla generazione e sulla dinamica dello shock;
• WP2: instabilità idrodinamiche e strategie di mitigazione nello schema Direct-Drive Shock Ignition, incluso l’uso di foams;
•  WP3: Shock Ignition con schema bipolare;
• WP4: instabilità parametriche e cross beam energy transfer (CBET), e possibilità di mitigazione utilizzano laser a larga banda;
• WP5: schemi du fusione inerziale con campi magnetici;

L’obbiettivo del progetto è affrontare le questioni fisiche chiave che riguardano lo schema Shock Ignition, consolidando la comunità Europea che lavora nel campo della Direct-Drive ICF, con l’obbiettivo a lungo termine di pianificare ed eseguire una dimostrazione dello schema Shock Ignition a NIF o LMJ.

Il ruolo dell’unità di ricerca ILIL

I ricercatori del laboratorio ILIL, precedentemente coinvolti nel progetto Europeo HiPER e nei progetti precedenti finanziati da Eurofusion nei bienni 2017-2018 e 2019-2020, hanno approfondite competenze nello studio sperimentale dell’interazione laser-solido e, in particolare, nel caratterizzare i meccanismi di interazione laser-plasma. In questo progetto, il gruppo ILIL contribuisce alle campagne sperimentali, spesso coordinando gli esperimenti. La sua attività comprende la caratterizzazione degli elettroni veloci (anche mediante simulazioni GEANT) e, in particolar modo, lo studio delle instabilità parametriche. Nel regime di interazione SI, infatti, il ruolo dei processi di Scattering Brillouin Stimolato (SBS), di Scattering Raman Stimolato (SRS) e di decadimento a due plasmoni (TPD) è centrale, sia per la riduzione dell’accoppiamento laser-plasma dovuto alla significativa riflessione di luce (SBS e SRS), sia per la generazione di elettroni veloci dovuta a SRS e TPD, che possono pre-riscaldare il combustibile impedendone la compressione oppure, al contrario, intensificare lo shock. In ragione di questo expertise INO ha il compito di coordinare il WP4, dedicato alle instabilità parametriche.

Le unità coinvolte

Responsabile del progetto è Dimitri Batani (Centre Laser Intense and Applications, CELIA). I partecipanti al progetto sono unità di ricerca operanti in diversi stati europei, con competenze sia teoriche sia sperimentali, che hanno già contribuito alla ricerca sullo schema Shock Ignition. Molti di tali gruppi erano già coinvolti in passato nel progetto Europeo HiPER, dedicato a dimostrare la fusione inerziale da laser come sorgente futura di energia. Le unità coinvolte sono:

• CELIA, Université de Bordeaux, Talence – Responsabile: Dimitri Batani
• Il nostro laboratorio ILIL di Pisa (Responsabile LA. Gizzi). Il responsabile dell’unità di ricerca è G.Cristoforetti.
• Università di Roma “La Sapienza” – Responsabile: Stefano Atzeni
• Universidad de Las Palmas de Gran Canaria (ULPGC) – Responsabile: Ricardo Florido
• IPPLM, Warsaw – Responsabile: Tadeusz Pisarczyk
• Wigner Research Centre for Physics of the Hungarian Academy of Sciences – Responsabile: István Földes
• Polytechnic University of Madrid, Spain – Responsabile: Javier Honrubia
• PIIM, Université de Marseille, Marseille – Responsabile: Sandrine Ferri
• LULI, Ecole Polytechnique, Palaiseau – Responsabile: Bruno Albertazzi
• Politecnico di Milano, Milano – Responsabile: Matteo Passoni
• Università di Milano Bicocca, Milano – Responsabile: Massimo Nocente
• ENEA – Centro Ricerche Frascati – Responsabile: Mattia Cipriani
• Universidad de Las Palmas de Gran Canaria (ULPGC) – Responsabile: Ricardo Florido
• USAL Salamanca – Responsabile: Luca Volpe
• Polytechnic University of Madrid – Responsabile: Javier Honrubia
• University of Valladolid – Responsabile: Marco Gigosos
• Instituto Fusión Nuclear “Guillermo Velarde” – Responsabile: Antonio Rivera
• Czech Technical University, Prague – Responsabile: Jiri Limpouch
• PALS, IPP.CR, Prague – Responsabile: Oldrich Renner
• University of York – Responsabile: Nigel Woolsey
• Central Laser Facility, Rutherford Appleton Laboratory – Responsabile: Robbie Scott
• Imperial College, London – Responsabile: Jeremy Chittenden
• University of Warwick – Responsabile: Tony Arber
• University of Strathclyde – Responsabile: Zheng-Ming Sheng
• Queen’s University Belfast , Responsabile: Daniele Margarone
• Wigner RCP, Budapest – Responsabile: István Földes
• IST, Lisbon, Portugal – Responsabile: Marta Fajardo
• Hellenic Mediterranean University of Crete – Responsabile: Michael Tatarakis
• Kharkov Institute of Physics & Technology – Responsabile: Vasyl Maslov