Aumento della resa di fusione tramite reazioni secondarie fascio‑bersaglio in esperimenti con cluster laser

Accendere piccoli soli in laboratorio

La fusione, il processo che alimenta il Sole, in genere richiede macchine enormi o gli interni stellari. Questo studio esplora una strada molto diversa: usare laser da tavolo ultraveloci e minuscoli cluster di gas per innescare reazioni di fusione in una configurazione compatta. I ricercatori mostrano come l’aggiunta di un semplice “guscio” solido attorno a una sorgente di fusione guidata dal laser possa aumentare in modo drastico il numero di neutroni prodotti, aprendo la strada a esperimenti di laboratorio di piccola scala che sondano condizioni simili a quelle stellari.

Come i laser trasformano i cluster in combustibile per la fusione

Nella fusione cluster‑laser, un impulso laser potente e ultracorto colpisce un getto di microscopici cluster ottenuti da gas di metano deuterato, una forma di metano in cui l’idrogeno è sostituito dal deuterio, parente più pesante dell’idrogeno. La luce intensa rimuove gli elettroni dai cluster, lasciando ioni carichi positivamente che si respingono violentemente e subiscono una “esplosione di Coulomb”. Questa esplosione scaglia ioni di deuterio a decine di migliaia di elettronvolt di energia — sufficiente perché coppie di nuclei di deuterio si fondano ed emettano neutroni da 2,45 MeV. Parte della fusione avviene dove i cluster esplodono, mentre ioni energetici urtano tra loro o con atomi più lenti nel getto di gas.

Aggiungere un bersaglio circostante per fusione extra

L’idea chiave di questo lavoro è catturare e riutilizzare gli ioni veloci che sfuggono alla regione di fusione iniziale. Il team ha circondato il getto di cluster con un blocco a forma di C realizzato in plastica deuterata (CD2). Mentre gli ioni di deuterio caldi si dirigono verso l’esterno dalle esplosioni dei cluster, molti di essi penetrano in questo bersaglio solido. Lì incontrano un elevato numero di atomi di deuterio stipati a densità molto maggiore rispetto al getto di gas. Ogni ione può innescare reazioni di fusione aggiuntive mentre si rallenta all’interno del solido, trasformando particelle che sarebbero state “sprecate” in una seconda fase di produzione neutronica.

Misurare i neutroni con una corsa contro il tempo

Per valutare quanto aiuti questo bersaglio secondario, i ricercatori hanno misurato con cura quando e quanti neutroni sono arrivati ai rivelatori posti a diversi metri di distanza. Poiché i neutroni di fusione viaggiano a velocità note, il loro tempo di volo rivela quando e dove sono stati creati. Sottraendo i segnali precoci dovuti ai raggi X e tenendo conto di lievi dispersioni energetiche, il team ha isolato i neutroni provenienti dalla regione dei cluster e dal blocco di CD2 aggiunto. Hanno inoltre utilizzato un rivelatore separato per misurare le energie degli ioni di deuterio, trovando “temperature” ioniche comprese tra circa 60 e 100 kiloelettronvolt — un indicatore dell’energia degli ioni.

Alzare la temperatura per aumentare le rese

Con il bersaglio di CD2 in posizione, la resa di neutroni per impulso laser è aumentata bruscamente. Alle energie ioniche più basse testate, il numero di neutroni è raddoppiato approssimativamente rispetto al caso solo cluster; alle energie più alte vicino a 100 keV, la resa è aumentata di circa tre volte e mezzo. Un modello risolto nel tempo che traccia come il plasma caldo si espande, come gli ioni si rallentano e quante reazioni avvengono in gas e solido ha riprodotto bene queste misure. L’analisi mostra che all’aumentare dell’energia ionica, ogni ione diventa più probabilmente soggetto a fusione nel bersaglio solido, quindi il beneficio relativo del blocco di CD2 cresce quasi linearmente entro l’intervallo testato.

Cosa significa per la fusione e il cosmo

Questo esperimento dimostra un modo pratico per amplificare significativamente la produzione di neutroni in configurazioni compatte di fusione guidata da laser circondando la regione di fusione principale con un bersaglio solido appropriato. Oltre a produrre semplicemente più neutroni, il concetto è flessibile: sostituendo il blocco di CD2 con altri materiali, esperimenti futuri potrebbero studiare molte reazioni nucleari diverse in condizioni a bassa energia ben controllate, simili a quelle interne alle stelle. Di fatto, la fusione cluster‑laser combinata con bersagli secondari offre una piattaforma di piccola scala e regolabile per esplorare come i nuclei reagiscono e con quale frequenza si fondono — informazioni cruciali per comprendere sia potenziali tecnologie di fusione sia i processi interni degli oggetti astrofisici.

Citazione: Sim, J., Lee, S., Kim, Hi. et al. Fusion yield enhancement via secondary beam-target reactions in laser-cluster experiments. Sci Rep 16, 5633 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35722-z

Parole chiave: fusione cluster‑laser, fusione del deuterio, resa di neutroni, bersagli secondari, reazioni nucleari astrofisiche