RICERCA ITALIANA     

STUDIO DELLA GENERAZIONE E DELLA PROPAGAZIONE DI ELETTRONI RAPIDI NEL CONTESTO DELL'APPROCCIO DI "IGNIZIONE VELOCE" ALLA FUSIONE NUCLEARE A CONFINAMENTO INERZIALE

Università degli Studi di Milano-Bicocca

Abstract

Il presente progetto si inquadra nella ricerca sulla fusione a confinamento inerziale e l’approccio cosiddetto di “ ignizione rapida” (fast ignition, FI), basato sull’idea di disaccoppiare la compressione del bersaglio (ottenuta con fasci ns ad alta energia) dalla fase di ignizione ottenuta con un fascio di elettroni generato nell’ìnterazione di un laser breve ultra-intenso con il bersaglio.
Su questa idea si basa il programma di Grande Infrastruttura Europea HiPER (High Power laser Energy Research Infrastructure) inserita nella roadmap ESFRI e di cui l'Unione Europea finanzierà parzialmente la "preparatory phase" nell'ambito del 7° FP (relativamente alle sole attività di management). Da notare anche che il il MIUR ha dichiarato esplicito interesse, con una lettera di intenti, a partecipare alla "preparatory phase" .

Obiettivo del presente PRIN è dare un contributo importante alla ricerca che la comunità scientifica internazionale sta portando avanti sull'argomento, nonchè alla ulteriore definizione del progetto HiPER stesso.
Il presente programma di ricerca prevede quindi un lavoro stretto e integrato tra le varie unità che lavoreranno insieme alla preparazione e realizzazione di esperimenti rilevanti da condurre nelle Large Facility laser europee e poi all’interpretazione dei dati ottenuti.
In particolare la nostra azione sarà mirata allo studio, sperimentale, teorico e numerico, delle seguenti questioni:

1) caratterizzazione della sorgente di elettroni rapidi
Vogliamo studiare in modo sistematico come variano le caratteristiche della sorgente (efficienza di conversione, energia media, divergenza angolare) in funzione dei parametri del laser e del bersaglio. Tra quest'ultimi, è particolarmente importante capire in modo dettagliato quali sono gli effetti introdotti dal preplasma prodotto dal preimpulso.
<br />2) studio della propagazione degli elettroni rapidi nella materia
Vogliamo affrontare e comprendere i grandi problemi aperti del trasporto:
i) trasporto con fasci di elettroni prodotti da impulsi laser relativamente lunghi. Tutti gli esperimenti svolti finora hanno utilizzato impulsi laser sub-ps o al più ps, mentre l’ignizione rapida avrà bisogno di durate dell’ordine della decina di ps.

ii) trasporto di elettroni in materia calda ad altissima densità. Quasi tutti gli esperimenti finora hanno riguardato la propagazione di elettroni rapidi in solidi e non in plasmi caldi e fortemente compressi come lo stato in cui si troverà il combustibile termonucleare a seguito dell’implosione.

iii) Il trasporto di elettroni in presenza di bersagli con guida a cono. Recentemente, i ricercatori dell'ILE-Osaka hanno sperimentato bersagli a guida-conica, con lo scopo di creare un canale preferenziale di accesso al laser e permetterne l’assorbimento in prossimità del plasma compresso. Nonostante primi successi, il trasporto in presenza del cono è praticamente del tutto inesplorato.


3) studio di alcuni problemi di idrodinamica caratteristici del regime di ignizione rapida per comprendere in particolare alcuni aspetti relativi alla compressione idrodinamica in presenza di un cono.


Accanto a questo, il presente programma intende anche affrontare degli obiettivi secondari, strettamente legati a quelli ora citati, ed in particolare:

i) Lo studio della simmetria di implosione, condizionato dall'instabilità di Rayleigh-Taylor (RTI), che all’interno della FI diventa un pò meno stringente ma sempre fondamentale (da cui la necessità di continuare lo studio dello "smoothing" del deposito di energia laser sul bersaglio)

ii) Lo studio della generazione di fasci di protoni energetici nell’interazione laser-materia ad ultra-alta-intensità, sia come approccio alternativo alla FI (FI in cui l’ignizione viene ottenuta con fasci di protoni), sia come tecnica diagnostica, in particolare per la misura dei campi elettrici e magnetici quasi-statici presenti nei plasmi.


Al fine di poter contribuire alla risoluzione di tali problemi sarà necessario parallelamente affrontare:
i) lo studio e lo sviluppo di diagnostiche per gli esperimenti. Da una parte si tratta di realizzare degli strumenti, dall’altra anche cercare di sviluppare nuovi approcci alla diagnostica basati su principi fisici nuovi o non ancora sfruttati.

ii) lo sviluppo e l’ottimizzazione di codici numerici. In prima istanza le tre diverse fasi dell’ignizione rapida (compressione, generazione degli elettroni veloci, trasporto nel core) possono essere modelizzate separatamente. Per l’aspetto idrodinamico, l’unità di Roma1 ha sviluppato il codice di simulazione bidimensionale radiativo - idrodinamico - nucleare DUED, fra i più avanzati a livello internazionale. Per l’aspetto di generazione, il gruppo di Bologna ha sviluppato il codice PIC “Aladyn” già usato e validato in simulazione di accelerazione laser-plasma di elettroni. Di fondamentale importanza sarebbe poi integrare fra loro i diversi codici per avere una descrizione unificata di generazione, trasporto e idrodinamica. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Dino Dimitri Batani Università degli Studi di MILANO-BICOCCA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Con il presente progetto, le unità operative che parteciperanno alla ricerca intendono dare un contributo originale ad una serie di questioni scientifiche aperte che risultano fondamentali nel quadro della fusione a confinamento inerziale (ICF) ed in particolare del cosiddetto approccio di “ignizione rapida”.
In particolare la nostra azione sarà mirata allo studio, sperimentale, teorico e numerico, delle seguenti questioni:


1) caratterizzazione della sorgente di elettroni rapidi prodotti.
Vogliamo studiare in modo sistematico come variano i parametri principali della sorgente (efficienza di conversione, energia media, divergenza angolare) in funzione dei parametri del laser e del bersaglio. Ad esempio potrebbe essere necessario cambiare la lunghezza d’onda del laser (e quindi lavorare alla seconda o terza armonica) al fine di ottenere le energie medie desiderate per dlele date condizioni di irraggiamento. Tra i parametri del bersaglio, è particolarmente importante capire in modo dettagliato quali sono gli effetti introdotti dal preplasma prodotto dal preimpulso,…


2) studio della propagazione degli elettroni rapidi nella materia
In particolare vogliamo affrontare e comprendere i grandi problemi aperti per quanto riguarda il trasporto:
i) il trasporto con fasci di elettroni prodotti da impulsi laser relativamente lunghi. Tutti gli esperimenti effettuati finora hanno utilizzato impulsi laser sub-ps o al più ps, mentre l’ignizione rapida avrà bisogno di laser con durata dell’ordine della decina di ps.

ii) Il trasporto di elettroni in materia calda ad altissima densità. Quasi tutti gli esperimenti fatti finora hanno riguardato la propagazione di elettroni rapidi in materiali solidi e non in plasmi caldi e fortemente compressi come lo stato in cui si troveranno la shell ed il combustibile termonucleare a seguito dell’implosione.

iii) Il trasporto di elettroni in presenza di bersagli con guida a cono. Recentemente, i ricercatori dell'ILE-Osaka hanno sperimentato bersagli sferici a guida-conica, il cui scopo dovrebbe essere quello di creare un canale preferenziale di accesso al laser, permettere l’assorbimento del laser in prossimità del plasma compresso ed infine ridurre i complessi fenomeni non lineari che caratterizzano l'accoppiamento fascio-plasma (in particolare in una corona estesa). Nonostante i primi successi, il trasporto in presenza del cono (ed in particolare l’effetto di campi magnetici ed elettrici) è praticamente ancora del tutto inesplorato


3) studio di alcuni problemi di idrodinamica caratteristici del regime di ignizione rapida
Si tratta in particolare di comprendere alcuni aspetti relativi alla compressione idrodinamica in presenza di un cono.


Accanto a questi obiettivi principali, il presente programma intende anche affrontare degli obiettivi secondari, strettamente legati a quelli principali ora citati, ed in particolare:

i) Lo studio della simmetria di implosione, condizionato dall'instabilità di Rayleigh-Taylor (RTI), che all’interno della FI diventa un pò meno stringente ma sempre fondamentale (da cui la necessità di continuare lo studio dei fenomeni di smoothing del deposito di energia laser sul bersaglio)

ii) Lo studio della generazione di fasci di protoni energetici nell’interazione laser-materia ad ultra-alta-intensità, sia come approccio alternativo alla FI (FI in cui l’ignizione viene ottenuta con fasci di protoni), sia come tecnica diagnostica per plasmi, in particolare, per la misura dei campi elettrici e magnetici quasi-statici presenti nei plasmi.


Al fine di poter contribuire efficacemente alla risoluzione di tali problemi sarà necessario parallelamente affrontare
a) lo studio e lo sviluppo di diagnostiche per gli esperimenti. Da una parte si tratta di realizzare delle strumentazioni, dall’altra in alcuni casi anche di cercare di sviluppare nuovi approcci alla diagnostica di questo tipo di plasmi basati su principi fisici nuovi o non ancora sfruttati.

b) lo sviluppo e l’ottimizzazione di codici numerici. In prima istanza le tre diverse fasi dell’ignizione rapida (compressione, generazione degli elettroni veloci, trasporto nel core) possono essere modelizzate separatamente. Per l’aspetto idrodinamico, ricordiamo che l’unità di Roma1 ha sviluppato nel corso degli anni, il codice di simulazione bidimensionale radiativi - idrodinamico - nucleare DUED, fra i più avanzati a livello internazionale. Per l’aspetto di generazione il gruppo di Bologna ha sviluppato il codice PIC “Aladyn” già usato e validato nella simulazione di fenomeni di accelerazione laser-plasma di elettroni e che dovrà essere ora adattato, con modifiche anche sostanziali, al nuovo contesto (alte densità, collsioni).
Di fondamentale importanza sarebbe poi integrare fra loro i diversi codici (e alcuni tentativi in questa direzione sono stati compiuti, anche se molto resta da fare) per avere una descrizione unificata di generazione, trasporto e idrodinamica. <<<

Risultati parziali attesi

I risultati attesi dalla ricerca riguardano essenzialmente:
1) L’avanzamento delle conoscenze scientifiche nel settore della fusione nucleare a cconfinamento inerziale ed, in particolare, dell’approccio di ignizione rapida (fast ignition). Tale avanzamento della conoscenza sarà ottenuto sia effettuando esperimenti rilevanti sull’argomento (in large facility europee) sia tramite contributi a livello teorico e numerico.

2) Contribuire alla definizione dei parametri del progetto HiPER relativo alla costruzione di una facility europea per studi sulla fusione inerziale. In particolare le nostre unità potranno contribuire alla definizione dei parametri idrodinamici relativi alla fase di compressione e allo studio dei fenomeni di generazione e di trasporto degli elettroni veloci.

3) Lo sviluppo di sistemi diagnostici per lo studio delle interazioni laser-plasma in regime ultra-breve ultra-intenso. Tali sistemi saranno basati su una molteplicità di principi fisici: scattering di armoniche (intere e semi intere) da plasmi; ombroscopia ed interferometria per la caratterizzazione dei plasmi prodotti (in particolare dal preimpulso); spettroscopia X ad alta risoluzione per la misura di temperatura e densità del plasma; imaging Ka e studio della OTR per l’imaging del fascio di elettroni rapidi nel bersaglio; spettroscopia Ka per lo studio del riscaldamento indotto nel materiale.

4) Lo sviluppo e l’ottimizzazione di codici numerici, sia per quanto riguarda l’aspetto idrodinamico (code DUED sviluppato da S.Atzeni a Roma1) sia per quanto riguarda l’aspetto di interazione in regime ultra-breve ed ultra-intenso (codice PIC elettromagnetico AlaDyn sviluppato a Bologna)

Per quanto riguarda l’avanzamento delle conoscenze scientifiche in particolare, ci prefiggiamo di ottenere i seguenti risultati:

1) Conclusioni relative alla generazione di elettroni veloci in interazioni laser-materia ad ultra-alta-intensità.
Tale studio affronterà i punti attualmente ancora aperti: quali sono i meccanismi di generazione (assorbimento risonante, vacuum heating, effetti ponderomotivi); qual è la dipendenza dai parametri del laser (lunghezza d’onda, angolo di incidenza del fascio); qual è la dipendenza dai parametri del bersaglio (materiale ma, soprattutto, le caratteristiche del preplasma formato dal preimpulso).

2) Conclusioni relative al trasporto degli elettroni veloci, in particolare affrontando il problema della propagazione in plasmi caldi ad alta densità (ottenuti tramite onde d’urto o per implosioni cilindriche) e studiando la propagazione in un regime di impulsi relativamente lunghi (10 ps) quali quelli che saranno veramente necessari per l’ignizione rapida.
Notiamo come al momento attuale manchino completamente dati sperimentali sia riguardanti la propagazione in plasmi caldi ultradensi, sia riguardo alla propagazione di fasci di elettroni “lunghi” (con durata temporale dell’ordine di qualche decina di ps).

3) Conclusioni relative ai meccanismi di generazione e trasporto degli elettroni veloci in presenza di coni. Questo lavoro coinvolgerà a livello sperimentale le unità di Milano e Pisa e a livello teorico / numerico le unità di Roma1 e Bologna. Come per i due punti precedenti, simulazioni idrodinamiche sono necessarie, per es. per la valutazione degli effetti dei pre-impulsi (o per l'ottimizzazione e la caratterizzazione dei plasmi compressi).

4) Conclusioni alla generazione di protoni in esperimenti di interazione laser-materia ad ultra-alta-intensità. Come noto i protoni sono accelerati dal campo prodotto dalla separazione di carica che si genera quando una parte degli elettroni veloci lascia il bersaglio. Perciò l’emissione di protoni serve come utile diagnostica della propagazione dei protoni oltre che essere importante di per sé per le possibili svariate applicazioni (dall’ignizione rapida indotta da protoni alle sorgenti per adroterapia). Questo studio vedrà coinvolte le unità di Roma1 e Bologna nonché, a livello sperimentale, l’unità di Milano.

5) Sviluppo e applicazione di tecniche di radiografia protonica; in particolare le unità di Milano e Pisa eseguiranno esperimenti utilizzando questa tecnica diagnostica relativamente nuova, mentre l'unità di Roma1 contribuirà, con il codice di tracciamento PTRACE, all'analisi di dati sperimentali, al fine di ricostruire la configurazione dei campi e.m. quasi statici generati in plasmi irraggiati con impulsi ultraintensi.


Dal punto di vista sperimentale, oltre allo sviluppo e all’ottimizzazione della diagnostica di radiografia protonica, il presente progetto prevede l’uso di svariate tecniche diagnostiche. L’ottimizzazione di tali diagnostiche nel contesto delle interazione laser-materia in un regime rilevante per l’ignizione rapida sarà un altro risultato del presente progetto. In particolare pensiamo all’ottimizzazione (oltre che alla costruzione fisica dei relativi strumenti diagnostici) di tecniche quali:

- La misura delle proprietà spettrali della radiazione ottica diffusa durante l'interazione laser-materia, in particolare la seconda armonica e le armoniche semi-intere, quali marcatori rispettivamente dell'interazione allo strato critico e delle instabilità parametriche (decadimento a due plasmoni (TDP) e scattering Raman (SRS), per mettere in evidenza correlazioni con lo spettro degli elettroni veloci, anche al variare delle caratteristiche del plasma preformato.

- Tecniche di caratterizzare del plasma preformato tramite interferometria e ombroscopia tramite l’uso di impulsi laser ultracorti al fine di ottenre risoluzioni temporali elevate (che saranno associate ad alte risoluzioni spaziali). Tale lavoro coinvolgerà in particolare le unità di Pisa e Roma2.

- Tecniche di fluorescenza a raggi X (emissione Ka) in materiali con opportune sezioni d'urto di fluorescenza, per la caratterizzazione degli elettroni rapidi. In particolare, imaging simultaneo in raggi X della fluorescenza di vari strati traccianti in bersagli multi-strato-

- Tecniche di spettroscopia Ka (misura contemporanea della Ka “fredda” prodotta dagli atomi di un materiale e delle Ka shiftate prodotte dagli ioni dello stesso materiale) per la misura del riscaldamento indotto in un bersaglio.

- Tecniche di spettroscopia X ad alta risoluzione con risoluzione spaziale (1D) per la misura della temperatura e densità dei plasmi (e contemporaneamente dei loro gradienti in una direzione)

Dal punto di vista teorico / numerico:
- il lavoro dell’unità di Roma1 porterà alla definizione dettagliata dei bersagli termonucleari necessari all’interno del progetto HiPER, eseguendo a) studi accurati riguardo alla simmetria e stabilità dell'implosione: compressione del plasma in geometria "a guida conica" e stabilità a modi di Rayleigh-Taylor; b) studi sistematici sulla dipendenza della resa energetica dai parametri del fascio elettronico (posizione della sorgente, energia, potenza e intensità, temperatura spettro energetico, divergenza, sincronizzazione con la compressione).

- sempre l’unità di Roma1 svilupperà un codice euleriano fluido-nucleare-radiativo per fusione inerziale, 2-D e (in una seconda fase 3-D), particolarmente adatto allo studio di esperimenti in cui si abbiano "scorrimenti" di materiali (come nei bersagli a guida conica) o moti quasi-turbolenti. Questo codice sarà fondamentale al fine di poter interpretare correttamente gli esperimenti che i gruppi sperimentali del presente PRIN intendono condurre su alcuni aspetti dell’idrodinamica in presenza di coni.

- l’unità di Bologna potenzierà il codice PIC elettromagnetico ALaDyn sviluppato a partire dal 2006 e che verrà potenziato allo scopo di permettere caratterizzazione completa della sorgente di elettroni. Verrà anche considerata la possibilità di introdurre in ALaDyn in modo fenomenologico la corrente di ritorno. Verrà inoltre costituita una piattaforma informatica che renda possibili le simulazioni integrate complete del processo di formazione del preplasma, interazione laser-plasma e trasporto nella materia ad altissima densità del nucleo compresso.

Per rendere possibili tali sviluppi saranno acquistati e messi in funzione opportuni nodi di calcolo e/o computer multiprocessori,


Tutti i risultati scientifici (comprensione di alcuni aspetti fondamentali nel quadro dell’ignizione rapida) e scientifico tecnologici (sviluppo e ottimizzazione di alcune tecniche diagnostiche e costruzione dei relativi apparati strumentali; sviluppo e ottimizzazione di codici idrodinamici e di codici PIC e delle relative piattaforme informatiche) saranno ampiamente riportati in:
- articoli scientifici su riviste internazionali con referee;
- relazioni su invito in conferenze scientifiche internazionali.
Tali articoli e tali relazioni possono essere considerati come ulteriori prodotti della presente ricerca e contribuiranno a rafforzare la presenza e la visibilità della comunità scientifica italiana che lavora sulla fusione inerziale (sostanzialmente rappresentata dai gruppi proponenti il presente PRIN) a livello internazionale.


Al di là dei risultati scientifici e scientifico-tecnologici, uno dei risultati fondamentali del presente PRIN sarà quello di contribuire alla formazione di nuovi ricercatori che lavorano nel campo delle interazioni laser materia (in particolare con impulsi ultra-corti) e della fusione inerziale (in particolare tramite l’approccio di ignizione rapida). Non a caso una parte importante delle risorse richieste nel presente PRIN riguarda contratti (di vario tipo) per giovani ricercatori.
Il rafforzamento della piccola ma significativa comunità italiana che lavora in questo settore trova un riscontro nella grande crescita che questo settore sta vivendo a livello europeo dove vediamo la costruzione di nuove importanti facility (Laser Magajoule e PETAL presso il CEA di Bordeaux), l’upgrade sostanziale di molte altre facility (Vulcan PW, Gemini, LULI2000, ecc.), la definizione di importanti progetti per grandi installazioni laser esclusivamente civili quali HiPER (ma per certi versi anche il progetto ELI), ed infine un rinnovato interesse, anche a livello dell’opinione pubblica, delle ricerche rivolte alla fusione nucleare in generale ivi compresa la fusione a confinamento inerziale.
D’altra parte tutto

Il presente programma PRIN permetterà non solo di dare un’occupazione (temporanea) ad un certo numero di borsisti e assegnasti ma, tramite la realizzazione di esperimenti condotti presso le grandi facility laser europee (e il sostegno alla mobilità assicurato dai fondi PRIN), permetterà anche di formare un numero non esiguo di laureandi e dottorandi al lavoro in equipe presso installazioni scientifiche internazionali di punta. Analogamente il lavoro estremamente apprezzato a livello europeo dei gruppi teorico / numerici del presente PRIN e le loro numerose collaborazioni internazionali, permetteranno di formare dei teorici e numerici in grado di confrontarsi assolutamente alla pari con la comunità scientifica europea (ed internazionale). In questo contesto vale forse anche la pena di ricordare l’attività formativa condotta congiuntamente dalle unità di Milano e Roma2 che si riflette nelle scuole estive di Erice su “Atoms and Plasmas in Super Intense Fields” ormai giunta alla terza edizione e di cui si prevede la continuazione (finanziata indipendentemente dal presente PRIN). I fondi del PRIN permetteranno però di realizzare dei mini-workshop specifici su questi temi, contribuendo nuovamente sia alla visibilità della comunità italiana, sia alla formazione scientifica dei giovani ricercatori.


Venendo infine alle eventuali potenzialità applicative della presente ricerca, ovviamente l’obiettivo principale è quello di contribuire allo studio della fattibilità e alla definizione del congetto di “fast ignition” relativo alla fusione nucleare a confinamento inerziale. E’ chiaro come il raggiungimento, evidentemente a medio-lungo termine, dell’obiettivo di costruire reattori a fusione nucleare allevierebbe sostanzialmente la domanda energetica dell’umanità. Ora l’Europa appare fortemente impegnata nel campo della fusione nucleare a confinamento magnetico (e la costruzione della macchina ITER ne è certamente la prova) che appare estremamente promettente. Ciò nonostante è certamente utile mantenere aperta la ricerca su approcci alternativi alla fusione nucleare (tra cui la fusione inerziale) coerentemente con quanto stanno facendo anche Stati uniti, Russia, Giappone e Cina.

Ma le presenti ricerche offrono anche altre possibilità di applicazioni a più breve termine. Tra queste vogliamo citare senz’altro la possibilità di sviluppare in futuro sorgenti di protoni generati tramite laser. Queste sorgenti potrebbero essere sostanzialmente più compatte ed economiche delle corrispondenti sorgenti “tradizionali” basate su tecniche di accelerazione delle particelle (ad esempio in ciclotroni compatti) e questo potrebbe permettere l’abbassamento dei costi della radioterapia adronica e in prospettiva una diffusione capillare di questa tecnica che, come noto, mantiene dei vantaggi sostanziali rispetto alla tradizionale radioterapia con raggi gamma, grazie al un deposito più localizzato della dose richiesta che implica un danno molto minore ai tessuti sani che circondano il tumore (conviene a questo riguardo ricordare che un progetto specifico che vede coinvolti laboratori laser e centri oncologici, denominato PROPULSE, è stato recentemente finanziato in modo significativo in Francia).

Questo tipo di ricerche è inoltre molto vicino alle ricerche condotte sugli acceleratori di elettroni tramite plasmi che sostanzialmente si differenziano da quelle qui affrontate per l’uso di bersagli gassosi al posto di targhette solide. In particolare sono comuni sia l’utilizzo di sistemi laser ultra-brevi ed ultra-intensi, sia parte delle tecniche usate per le diagnostiche dei plasmi, sia infine una parte degli strumenti di calcolo utilizzati (in particolare i codici PIC). Il presente progetto potrebbe quindi anche creare una sinergia positiva con progetti di accelerazione a plasma operanti nell’ambito della fisica degli acceleratori (ad esempio PLASMONX presso i laboratori nazionali di Frascati in ambito INFN). <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Il presente progetto si inquadra nella ricerca che a livello internazionale viene condotta sui plasmi prodotti da laser ed in particolare sulla fusione a confinamento inerziale (ICF, Inertial Confinement Fusion, o IFE, Inertial Fusion Energy) e l’approccio cosiddetto di “ ignizione rapida” (fast ignition, FI). Tale approccio introdotto da M.Tabak al Livermore [1], [2] e studiato in dettaglio da S.Atzeni a Roma1 [3], è basato sull’idea di disaccoppiare la compressione del bersaglio (ottenuta con fasci ns ad alta energia) dalla fase di ignizione ottenuta con un fascio di elettroni generato nell’ìnterazione di un laser breve ultra-intenso con il bersaglio.
Su questa idea si basa il programma di Grande Infrastruttura Europea HiPER (High Power laser Energy Research Infrastructure) inserita nella roadmap ESFRI [4] e di cui l'Unione Europea finanzierà parzialmente la "preparatory phase" [5], [6].

Obiettivo del presente PRIN è dare un contributo importante alla ricerca che la comunità scientifica internazionale sta portando avanti su questo argomento, e contribuire alla ulteriore definizione del progetto HiPER stesso. Notiamo come i proponenti abbiano qui già giocato un ruolo fondamentale: Il dimensionamento di massima di HiPER è stato eseguito basandosi su stime, calcoli e simulazioni eseguite principalmente da S.Atzeni di Roma1, che ha anche coordinato il gruppo di lavoro sulla fisica della fusione, mentre D.Batani e L.Gizzi sono stati rispettivamente “task leader” del gruppo di lavoro sulle diagnostiche e membro del management committee provvisorio.

Elementi cruciali dello schema sono la generazione ed il trasporto degli elettroni nel materiale compresso e il deposito di energia (per una descrizione più dettagliata delle varie fasi si alla descrizione dello stato dell’arte delle varie unità).

Recentemente poi, in un esperimento all'ILE-Osaka sono stati usati bersagli a guida-conica [7]. Lo scopo del cono dovrebbe essere di creare un canale preferenziale di accesso all’impulso ignitore, permettere l’assorbimento del laser in prossimità del core compresso e ridurre i complessi fenomeni non lineari che caratterizzano l'accoppiamento fascio-plasma (in particolare in una corona estesa). Anche se l’esperimento ha avuto successo, ulteriori e meglio diagnosticati esperimenti sono necessari in condizioni più prossime al regime di fusione (Osserviamo che esperimenti sull'interazione in un cono sono stati svolti recentemente al LULI, Parigi), da una collaborazione che include l’unità di Milano e, per supporto modellistico, l’unità di Roma1 [8]).
Lo stato delle ricerche sull'ignizione veloce è riassunto in alcune recenti rassegne [2], [9], [10]. Emergono le potenzialità dello schema, ma anche la necessità di studi approfonditi soprattutto sul trasporto degli elettroni veloci. Tra i molti problemi ancora aperti, citiamo:

1) Per quanto riguarda la generazione, manca ancora uno studio sistematico che mostri quali meccanismi di generazione (assorbimento risonante, vacuum heating, effetti ponderomotivi, accelerazione in onde di plasma) siano prevalenti in quali condizioni, e quale sia la dipendenza da un parametro fondamentale quale la lunghezza di scala del gradiente di densità del “preplasma” creato dal preimpulso laser.

2) Per quanto riguarda il trasporto in particolare due grandi problemi sono:
a) la durata dell’impulso. Tutti gli esperimenti effettuati finora hanno utilizzato impulsi laser sub-ps o al più ps, mentre l’ignizione rapida avrà bisogno di laser con durata dell’ordine della decina di ps.

b) La densità del materiale. Quasi tutti gli esperimenti finora hanno riguardato la propagazione di elettroni rapidi in solidi e non in plasmi caldi e fortemente compressi come lo stato in cui si troveranno la shell ed il combustibile termonucleare a seguito dell’implosione.


Inoltre manca una comprensione reale dei fenomeni di filamentazione del fascio di elettroni mentre propaga nel bersagli. Il fascio filamenta o no in condizioni rilevanti per la FI e tale filamentazione è dovuta all’instabilità di Weibel o ad altri fenomeni fisici? O al contrario esiste la possibilità di collimazione del fascio indotta dagli intensi campi magentici auto-generati?

3) Per quanto riguarda l’aspetto teorico / numerico, osserviamo come la simulazione del processo di fusione inerziale tramite FI sia un compito molto complesso. Tre sono le fasi rilevanti: compressione e implosione del pellet, interazione dell'impulso laser con la corona e produzione di elettroni veloci, trasporto degli elettroni nel core ove essi depositano la loro energia ed avvengono le reazioni di fusione. In prima istanza queste fasi possono essere modelizzate separatamente. Per la fase di compressione si utilizzano codici idrodinamici, per l'interazione laser-plasma codici PIC e per il trasporto nel core codici Fokker-Planck che tengano in conto le collisioni o codici ibridi.
Per l’aspetto idrodinamico, ricordiamo che l’unità di Roma1 ha sviluppato nel corso degli anni, il codice di simulazione bidimensionale radiativi - idrodinamico - nucleare DUED, fra i più avanzati a livello internazionale.
Per l’aspetto di generazione il gruppo di Bologna ha sviluppato il codice PIC “Aladyn” già usato e valicato nella simulazione di fenomeni di accelerazione laser-plasma di elettroni.

Di fondamentale importanza sarebbe poi integrare fra loro i diversi codici (e alcuni tentativi in questa direzione sono stati compiuti, anche se molto resta da fare) per avere una descrizione unificata di generazione, trasporto e idrodinamica.

Altri problemi collegati a quelli ora descritti e che richiedono ulteriore approfondimento nel quadro della presente ricerca sono:
i) Lo studio della simmetria di implosione, condizionato dall'instabilità di Rayleigh-Taylor (RTI), che all’interno della FI diventa un pò meno stringente ma sempre fondamentale (da cui la necessità di continuare lo studio dello smoothing del deposito di energia laser sul bersaglio)
ii) Lo studio della generazione di fasci di protoni energetici nell’interazione laser-materia ad ultra-alta-intensità, sia come approccio alternativo alla FI (FI in cui l’ignizione viene ottenuta con fasci di protoni), sia come tecnica diagnostica per plasmi, in particolare, per la misura dei campi elettrici e magnetici quasi-statici presenti nei plasmi.


RIFERIMENTI
[1] M.Tabak et al “Ignition and high gain with ultrapowerful lasers” Phys. Plasmas 1, 1626 (2004)

[2] M.Tabak, S.Atzeni et al “Review of progress in Fast Ignition” Phys. Plasmas 12, 057305 (2005)

[3] S.Atzeni “Inertial fusion fast ignitor: Igniting pulse parameter window vs the penetration depth of the heating particles and the density of the precompressed fuel” Phys. Plasmas 6, 3316 (1999)

[4] ESFRI (European Strategy Forum on Research Infrastructures) “European roadmap for research Infrastructures Report 2006” pag. 44: HiPER high power Experimental research facility. Available on website - http://cordis.europa.eu/esfri/roadmap.htm

[5] M. Dunne, N. Alexander, S. Atzeni, D. Batani, L.A. Gizzi, et al. “HiPER -Technical Background and Conceptual Design Report 2007” Available on website – www.hiper-laser.org (June 2007)

[6] S.Atzeni, D.Batani, L.Gizzi “HiPER: un laser europeo per studi di fusione inerziale” Il Nuovo Saggiatore, 23, 64 (2007)

[7] R.Kodama et al “Nuclear fusion: Fast heating scalable to laser fusion ignition” Nature 418, 933 (2002)

[8] S. D. Baton, M. Koenig, D. Batani, A. Morace, R. Redaelli, S. Atzeni, A. Schiavi et al. “Inhibition of fast electron transport due to preplasma filling of cone-attached target” Phys. Plasmas, sub. (2007)

[9] R.R. Freeman, D. Batani, S. Baton, M. Key and R. Stephens “The Generation and Transport of Large Currents in Dense Materials: The Physics of Electron Transport Relative to Fast Ignition” Fusion Science Technology, 49, 297 (2006)

[10] D.Batani, R.Freeman, S.Baton “Review of experimental results on Electron Transport in Laser-Plasma Interactions” in "Progress in Ultrafast Intense Laser Science" K.Yamanouchi Ed, Springer (2007) <<<