Con il termine Shock Ignition (SI) si indica uno schema a due fasi, introdotto da R.Betti (R. Betti et al. Phys. Rev. Lett. 98, 155001, 2007), per raggiungere la fusione indotta da laser, detta a Confinamento Inerziale [Nuckolls, 1972]. Nello schema SI, una intensa onda d’urto viene generata da un laser intenso alla fine della fase di compressione del combustibile, e induce l’ignizione.
Profilo dell’impulso laser
Sia la compressione del combustibile Deuterio-Trizio, sia l’intensa onda d’urto, sono ottenuti da un unico impulso laser (figura a destra), composto da un picco di qualche ns di intensità moderata (< 1015 W cm-2) seguito da un picco della durata di 300-500 ps e di intensità I≈1015–1016 W cm-2. Il vantaggio principale dello schema SI è l’elevato guadagno atteso, che permette di ottenere l’ignizione a energie laser moderate, già disponibili presso le grandi facilities NIF e LMJ. Il successo di tale approccio è principalmente determinato dal buon accoppiamento del picco laser intenso con la corona già compressa. E’ infatti necessario che il laser sia assorbito con grande efficienza in modo da generare un’onda d’urto di alcune centinaia di Megabar. D’altra parte, la fisica che riguarda l’interazione laser plasma a intensità tipiche di questo schema è fortemente non lineare e ancora in gran parte sconosciuta.
La nostra attività si sviluppa a partire dai primi studi effettuati dal gruppo del Dr. Antonio Giulietti presso l’allora l’Istituto di Fisica Atomica e Molecolare ed è stata incentrata sullo studio dell’accoppiamento laser-plasma in plasmi di interesse per l’ICF, ora anche in questo regime SI, che è spesso dominato da instabilità parametriche, tra cui lo Stimulated Brillouin Scattering (SBS), lo Stimulated Raman Scattering (SRS, vedi figura sotto) e il Decadimento a due plasmoni (TPD). La crescita di tali instabilità, spesso correlate tra loro, avviene in modo non lineare ed è spesso influenzato da parametri locali (per esempio dai laser speckles) e da altri fenomeni come la filamentazione laser. Le instabilità possono degradare significativamente l’accoppiamento laser-plasma, riflettendo una larga parte della luce laser, e generare elettroni energetici che a loro volta possono provocare un pre-riscaldamento del combustibile o in ogni caso influenzare la pressione dell’onda d’urto.
Spettro di radiazione emessa da Stimulated Raman Scattering
Una conoscenza approfondita di tali fenomeni che influenzano l’accoppiamento laser-plasma è quindi necessaria al fine di progettare l’impulso laser e le condizioni di interazione da utilizzare in un reattore a SI. L’attività di ricerca attuale viene svolta all’interno del progetto “Advancing shock ignition for direct-drive inertial fusion”, che terminerà nel 2024, finanziato dal consorzio europeo Eurofusion (Consorzio Europeo per lo ricerca nel campo della fusione nucleare), che è seguito al programma europeo HiPER. Le ultime campagne sperimentali sono state effettuate presso il laser Vulcan (CLF, UK), il Prague Asterix Laser facility (PALS, Prague), il laser Omega (Rochester, USA), il laser LMJ (Bordeaux, France) e il laser Gekko XII (Osaka, Japan) in collaborazione con altri gruppi di ricerca europei e sono state finanziate da Laserlab-Europe e dal consorzio Eurofusion. Futuri esperimenti sono previsti anche presso le facilities laser Shen Guang II e III in Cina.
Pubblicazioni recenti:
- P. Koester et al., “Recent results from experimental studies on laser–plasma coupling in a shock ignition relevant regime”, Plasma Phys. Control. Fusion 55, 124045, 2013
- D. Batani et al., “Generation of high pressure shocks relevant to the shock-ignition intensity regime”, Phys. Plasmas 21, 032710, 2014
- G. Cristoforetti et al., “Experimental observation of parametric instabilities at laser intensities relevant for shock ignition” Euro Phys. Lett., 117, 35001, 2017
- G. Cristoforetti et al., “Measurements of parametric instabilities at laser intensities relevant to strong shock generation”, Phys. Plasmas, 25, 012702, 2018
- D. Batani et al., “Progress in understanding the role of hot electrons for the shock ignition approach to inertial confinement fusion”, Nuclear Fusion, 59, 032012, 2019
- G. Cristoforetti et al.,” Time evolution of stimulated Raman scattering and two-plasmon decay at laser intensities relevant for shock ignition in a hot plasma”, High Power Laser Science and Engineering, 7, e51, 2019
- L. Antonelli et al., “Laser-driven strong shocks with infrared lasers at intensity of 1016 W/cm2” Phys. Plasmas 26, 112708, 2019
- S. Baton et al., “Preliminary results from the LMJ-PETAL experiment on hot electrons characterization in the context of shock ignition”, High Energy Density Physics, 36, 100796, 2020
- P. Koester et al., “Bremsstrahlung cannon design for shock ignition relevant regime”, Rev. Sci. Instrum. 92, 013501 (2021)
Ulteriori Pubblicazioni e Riferimenti
Nuckolls, John; Wood, Lowell; Thiessen, Albert; Zimmerman, George (1972), “Laser Compression of Matter to Super-High Densities: Thermonuclear (CTR) Applications”, Nature, 239 (5368): 139–142, Bibcode:1972Natur.239..139N, doi:10.1038/239139a0, S2CID 45684425
Perkins, L. J.; Betti, R.; LaFortune, K. N.; Williams, W. H. (2009). “Shock Ignition: A New Approach to High Gain Inertial Confinement Fusion on the National Ignition Facility” (PDF). Physical Review Letters. 103 (4): 045004. Bibcode:2009PhRvL.103d5004P. doi:10.1103/PhysRevLett.103.045004. PMID 19659364.
A.Giulietti, D.Giulietti, D.Batani, V.Biancalana, L.Gizzi, L.Nocera and E.Schifano, Spectroscopic Evidence for Sum Frequency of Forward and Backscattered Light in Laser Plasmas , Phys. Rev. Lett. 63, 524 (1989)
D.Giulietti, D.Batani, V.Biancalana, A.Giulietti and L.Gizzi, 3 w/2 Harmonic Generation in Laser-Plasma Interaction: evidence for plasmon propagation, Il Nuovo Cimento, 13 D, 845 (1991)
L.A.Gizzi , D.Giulietti, A.Giulietti, T.Afshar-Rad, V.Biancalana, P.Chessa, E.Schifano, S.M.Viana, O.Willi, Characterisation of Laser Plasmas for Interaction Studies, Phys. Rev. E, 49, 5628 (1994)
A.Giulietti, A.Macchi, E.Schifano, V.Biancalana, C.Danson, D.Giulietti, L.A.Gizzi, O.Willi, Stimulated Brillouin backscattering from underdense expanding plasmas in a regime of strong filamentation, Phys. Rev. E 59, 1038 (1999).