Il Fusore di Farnsworth–Hirsch, o semplicemente fusore nucleare, è un apparato progettato da Philo Farnsworth negli anni trenta, partendo da esperimenti con vari tipi di tubi a vuoto (precursori del tubo catodico), destinati allo sviluppo della prima televisione, che nel corso di decenni scoprì capace di innescare e trattenere modeste reazioni di fusione nucleare. Venne sviluppato sotto forma di alcune varianti tecnologiche, alcune diverse per aspetti di funzionamento secondari, altre per l'utilizzo del confinamento magnetico-elettrico in un punto, piuttosto che quello elettrostatico. I ricercatori che hanno progettato e costruito varianti includono Elmore, Tuck, e Watson fino agli anni '80, e più recentemente George Miley e Robert W. Bussard (inventore del Polywell).
Introduzione A differenza della maggior parte dei sistemi a fusione controllata, che lentamente riscaldano un plasma magneticamente confinato, il fusore inietta ioni a "alta temperatura" direttamente nella camera di reazione, e dunque si evitano molteplici complessità. L'approccio è noto in fisica come confinamento inerziale elettrostatico (Identificabile in inglese con la sigla IEC).
Inizialmente si sperava che si potesse rapidamente sviluppare una sorgente da fusione pratica. Nonostante tutto, come con altri esperimenti da fusione, non si registra lo sviluppo di un generatore di energia termo-nucleare sfruttabile per produrre corrente elettrica. Comunque, da allora il fusore è diventato una pratica sorgente di neutroni e viene prodotto commercialmente per questo ruolo. Alcuni hobbisti (correndo un grave rischio radiologico) hanno assemblato dispositivi di questo genere, funzionanti a bassa potenza.
Storia Invenzione Il fusore venne originalmente concepito da Philo Farnsworth, meglio noto per il suo lavoro pionieristico nello sviluppo della televisione. Durante i primi anni 30 Farnsworth investigava su un certo numero di progetti per il tubo a vuoto per l'uso nella televisione (il tubo catodico), e riscontrò una variante che dimostrava un interessante effetto inaspettato. In questo prototipo, che chiamò multipactor, gli elettroni che si muovono da un elettrodo all'altro si fermano a metà volo grazie alla giusta applicazione di un campo magnetico alternante a alta frequenza. Allora la carica negativa si accumula nel centro del tubo, portando a un'alta amplificazione della loro energia. Sfortunatamente portava anche a un alto tasso di erosione degli elettrodi quando venivano colpiti dagli elettroni, e oggigiorno l'effetto multipactor viene generalmente considerato un problema da evitare.
Quello che interessava particolarmente a Farnsworth era la possibilità per il dispositivo di mettere a fuoco gli elettroni in un punto particolare. Uno dei principali problemi nella fusione nucleare è mantenere isolati gli ioni caldi (il combustibile per la fusione nucleare: protoni e nuclei positivi) dalle pareti del contenitore. Se questo avvenisse, il combustibile non può mantenere l'energia termica necessaria per permettere la reazione di fusione. Farnsworth si rese conto che poteva costruire un sistema di confinamento del plasma elettrostatico dove i campi "parete" del reattore sono elettroni oppure ioni tenuti al loro posto giusto dal "multipactor". Il combustibile poteva essere allora iniettato attraverso la parete e una volta all'interno non possono più sfuggire. Chiamò questo concetto "elettrodo virtuale" e il sistema in toto il "fusore".
Design e varianti di progetto I progetti dei fusori nucleari originali di Farnsworth erano basati su arrangiamenti cilindrici di elettrodi, come i multipactors originali. Il combustibile veniva ionizzato e poi sparato da piccoli acceleratori attraverso orifizi negli elettrodi esterni (fisicamente esistenti). Una volta passati attraverso l'orifizio venivano accelerati verso l'area interna di reazione ad alta velocità. La pressione elettrostatica proveniente dagli elettrodi carichi positivamente mantiene l'intero combustibile protonico al di fuori delle pareti della camera, e gli impatti da nuovi ioni mantiene il plasma più caldo al centro. Farnsworth si riferiva a questo con la parola inglese inertial electrostatic confinement, un termine che continua ad essere usato al giorno d'oggi.
Vari modelli del fusore sono stati costruiti nei primi anni sessanta. Al contrario dei primi apparecchi, questi modelli usavano un'area di reazione sferica, ma per altri aspetti erano simili. Il laboratorio di Farnsworth era abbastanza "aperto", e alcuni tra gli ingegneri e tecnici di laboratorio costruirono i propri progetti di fusore. Anche se in genere avevano successo nell'eseguire le reazioni, il fusore aveva gravi problemi ingegneristici nell'essere costruito in dimensioni maggiori: dal momento che il combustibile viene introdotto con acceleratori, la quantità di combustibile che poteva essere usata nella reazione era molto bassa.
Fusore di Hirsch-Meeks
Il progetto cambia drasticamente con l'arrivo al laboratorio di Robert Hirsch. Propose una via interamente nuova di costruire il fusore nucleare, che faceva a meno dei cannoni ionici o degli elettrodi multipactor. Invece il sistema venne costruito come due elettrodi sferici concentrici simili, uno contenente l'altro, l'insieme all'interno di un contenitore più grande riempito di gas combustibile diluito. In questo sistema i cannoni di elettroni o di protoni non erano necessari, e la scarica per effetto corona attorno agli elettrodi esterni era sufficiente a fornire una sorgente di ioni. Una volta ionizzato, il gas sarebbe stato attratto verso l'elettrodo più interno (carico negativamente), che supererebbe per entrare nell'area centrale di reazione.
L'insieme del sistema finisce per essere simile al progetto di fusore originale di Farnsworth nel concetto, ma si usa un vero elettrodo a rete sferica al centro. Gli ioni si raccolgono nei pressi di questo elettrodo, formando un "involucro" di carica positiva che i nuovi ioni dall'esterno dell'involucro riescono a penetrare grazie alla loro relativa alta velocità. Una volta all'interno dell'involucro i cationi sperimentano ulteriori forze che li mantengono all'interno, con quelli a temperatura più bassa che si raccolgono nello stesso involucro. È con questo tipo di dispositivo, più propriamente chiamato il Fusore di Hirsch–Meeks, che si continua a fare esperimenti al giorno d'oggi, utilizzandolo come sorgente di neutroni.
Il lavoro ai Farnsworth Television labs I nuovi fusori nucleari basati sul progetto di Hirsch vennero costruiti per la prima volta nei tardi anni sessanta. Anche i primi modelli di prova si dimostrarono efficaci; presto cominciarono a mostrare tassi di produzione fino a un miliardo (109) di neutroni al secondo, e sono stati segnalati tassi di produzione di neutroni fino a un bilione (1012) per secondo.
Tutto questo lavoro si svolgeva nei "Farnsworth Television labs", che erano stati rilevati nel 1949 dalla ITT che aveva piani per diventare la prossima RCA. Nel 1961 la ITT nomina H. Gheenen come amministratore delegato. Geneen decise che la ITT non doveva essere una compagnia di telefonia ed elettronica, e cominciò ad acquisire compagnie in profitto di qualsiasi tipo. Presto le principali attività della ITT furono le assicurazioni, gli alberghi Sheraton Hotels e la Avis Rent-a-Car. In un mese acquistarono 20 diverse compagnie, nei più diversi rami.
Il progetto di ricerca sulla fusione nucleare non veniva ritenuto come capace di rendere immediati profitti. Nel 1965 il consiglio d'amministrazione chiese a Geneen di vendere la divisione di Farnsworth, ma invece il suo budget del 1966 venne approvato, con stanziamenti attivi fino alla metà del 1967. Vennero negati ulteriori fondi, e questo pose fine agli esperimenti della ITT riguardanti la fusione nucleare.
Il team di ricerca si rivolse alla AEC, che allora si occupavano dello stanziamento di fondi per la ricerca sulla fusione nucleare, e presentarono un dispositivo montato su un carrello che si può accostare ad un tavolo da lavoro, che produceva più energia da fusione rispetto ad ogni altro dispositivo "classico" esistente. Gli osservatori rimasero stupiti, ma l'occasione non era delle migliori; dappertutto si parlava dei progressi nel confinamento e nelle energie raggiunte dalla macchina da fusione nucleare sovietica Tokamak, lo stesso Hirsch aveva recentemente rivelato questi grandi progressi. In risposta a questi sviluppi improvvisi, la commissione AEC decise di concentrare i finanziamenti sui grossi progetti varianti tokamak-simili (che allora sembravano sul punto di raggiungere la fusione nucleare controllata, anche con buone rese energetiche) sottraendo il finanziamento e riducendo il supporto e financo gli studi su ogni proposta alternativa.
Il lavoro alla Brigham Young University dello Utah Allora Farnsworth si trasferì presso la Brigham University di Provo nello stato di Utah e cercò di assumere i suoi collaboratori dal laboratorio della ITT in una nuova compagnia che iniziò ad operare nel 1968; dopo non essere riuscito a racimolare alcuni milioni di dollari in capitale iniziale di rischio, nel 1970 avevano speso anche tutti i risparmi di Farnsworth. Il fisco americano IRS confiscò le loro proprietà nel febbraio del 1971, e in marzo dello stesso anno Farnsworth si ammalò di polmonite, malattia che lo condusse alla morte. In effetti il fusore nucleare muore con lui.
Sviluppi recenti: il Polywell di Robert W. Bussard Nei primi anni ottanta, disilluso dai lenti progressi con le "grandi macchine", un numero di fisici cominciò a valutare una serie di progetti alternativi. Il ricercatore George Miley della University of Illinois selezionò il fusore e ricominciò la ricerca in questo campo. Da allora persiste un discreto interesse nel fusore nucleare. Un importante sviluppo è stato il successo dell'introduzione in commercio del generatore di neutroni basato sul fusore nucleare. Dal 2006 fino alla sua morte nel 2007, Robert W. Bussard tenne conferenze su un reattore simile in concetto al fusore, noto come Polywell, che riteneva capace di generare potenza termica ed elettrica a un costo competitivo.
Il fusore come sorgente di potenza
Fusione nucleare basica Per fusione nucleare si intende una reazione nella quale nuclei atomici leggeri si combinano per formare nuclei atomici più pesanti. In teoria, alcune di queste reazioni rilasciano energia che potrebbe, in principio, essere imbrigliata per fornire potenza da fusione nucleare. Le reazioni più facili, a minore energia, avvengono in una miscela di deuterio e trizio, quando gli ioni raggiungono una temperatura di almeno 4 keV (kiloelettronvolt), equivalenti a circa 45 milioni di kelvin. A tali temperature, gli atomi del combustibile nucleare vengono ionizzati e costituiscono il quarto stato della materia, il plasma (gas ionizzato). In un impianto pratico di fusione da potenza, le reazioni di fusione devono avvenire velocemente per sopperire alle perdite di energia. Il tasso di reazione varia in base alla temperatura e alla densità del combustibile, ed il tasso di perdita viene caratterizzato dal τE "tempo di confinamento dell'energia" .
Le condizioni minime richieste sono definite dall'espressione matematica «criterio di Lawson». In quello che attualmente si ritiene l'approccio di maggiore successo alla fusione nucleare controllata, la fusione a confinamento magnetico, ci si avvicina alle condizioni necessarie grazie al riscaldamento di un plasma contenuto da campi magnetici. In effetti, nelle macchine a confinamento magnetico, questo criterio si è dimostrato molto difficile da raggiungere nella pratica. La complessità dei sistemi collaterali necessari va a scapito dell'utilità del disegno tecnologico del progetto per un generatore pratico.
La fusione nel fusore nucleare