Experimento quebrador de recordes com fusão nuclear atinge marco histórico do plasma

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O coração do sistema a laser mais poderoso do mundo. Crédito: Damien Jemison.

Por Tom Metcalfe
Publicado na Live Science

O segredo por trás de um experimento de fusão nuclear quebrador de recordes que cuspiu 10 quatrilhões de watts de energia em uma fração de segundo foi revelado: um plasma “auto-aquecido” de hidrogênio pesado em nêutrons dentro da cápsula de combustível usada no experimento, segundo pesquisadores.

No ano passado, cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Livermore, no norte da Califórnia (EUA), anunciaram a liberação recorde de 1,3 megajoules de energia por 100 trilionésimos de segundo no National Ignition Facility (NIF), informou a Live Science na época.

Em dois novos trabalhos de pesquisa, os cientistas do NIF mostram que a conquista se deve à engenharia de precisão de uma minúscula cavidade e da cápsula de combustível no coração do sistema a laser mais poderoso do mundo, onde ocorreu a fusão.

Embora a cápsula de combustível tenha apenas cerca de um milímetro de diâmetro, e a reação de fusão tenha durado apenas um breve período de tempo, o resultante foi igual a cerca de 10% de toda a energia da luz solar que atinge a Terra a cada instante, relataram os pesquisadores.

Os pesquisadores disseram que a reação jorrou esse tanto de energia porque o próprio processo de fusão aqueceu o combustível restante em um plasma quente o suficiente para permitir novas reações de fusão.

“Um plasma auto-aquecido é quando o aquecimento das reações de fusão se torna a fonte dominante de aquecimento no plasma, mais do que o necessário para iniciar ou impulsionar a fusão”, disse Annie Kritcher, física do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL), à Live Science em um e-mail.

Kritcher é a principal autora de um estudo publicado em 26 de janeiro na Nature Physics descrevendo como o NIF foi otimizado para alcançar o plasma auto-aquecido, e a coautora de outro estudo publicado na Nature no mesmo dia que detalha os primeiros experimentos de queima de plasma no NIF em 2020 e início de 2021.

Estrela em uma cápsula

A fusão nuclear é o processo que alimenta estrelas como o Sol. É diferente da fissão nuclear, que é usada em usinas aqui na Terra para gerar energia dividindo núcleos atômicos pesados ​​– como plutônio – em núcleos atômicos menores.

A fusão nuclear libera grandes quantidades de energia quando os núcleos atômicos são “fundidos” – isto é, unidos – em núcleos maiores.

Os tipos mais simples de fusão são alimentados por hidrogênio, e os pesquisadores esperam que a fusão nuclear possa um dia ser desenvolvida em uma fonte de energia relativamente “limpa” usando o hidrogênio abundante nos oceanos da Terra.

Como as estrelas são muito grandes, sua forte gravidade significa que as reações de fusão ocorrem a pressões muito altas. Mas aqui na Terra tais pressões não são viáveis ​​– e, portanto, as reações de fusão devem ocorrer em temperaturas muito altas.

(Em um determinado volume, à medida que a temperatura de um gás aumenta, também aumenta a pressão e vice-versa, de acordo com a lei de Gay-Lussac.)

Diferentes experimentos sugerem diferentes métodos para manter uma reação de fusão em altas temperaturas, e o National Ignition Facility é especializado em uma abordagem chamada “confinamento inercial”.

Ele cria altas temperaturas atingindo uma pequena bola de hidrogênio no centro usando 192 lasers de alta potência, que consomem enormes quantidades de energia e só podem ser disparados uma vez por dia.

A abordagem de confinamento inercial foi pioneira para testar armas termonucleares, e está longe de ser uma fonte de energia viável – tal fonte de energia teria que vaporizar vários desses pellets de combustível a cada segundo para ter uma energia resultante grande o suficiente para gerar quantidades úteis de eletricidade.

Mas o NIF tem mostrado sucesso recentemente em obter energia resultante extraordinariamente alta, mesmo que apenas por momentos muito breves. O experimento em agosto chegou perto de produzir tanta energia do pellet de combustível quanto foi colocado nele, e os pesquisadores esperam que experimentos futuros sejam ainda mais poderosos.

Confinamento inercial

Os dois novos estudos descrevem experimentos de queima de plasma realizados nos meses anteriores à reação de 10 quatrilhões de watts; esses experimentos anteriores culminaram na produção de 170 quilojoules de energia a partir de um pellet de apenas 200 microgramas de combustível de hidrogênio – cerca de três vezes a produção de energia de qualquer experimento anterior.

Isso foi alcançado moldando cuidadosamente tanto a cápsula de combustível – uma minúscula concha esférica de diamante de policarbonato que envolvia o pellet – quanto a cavidade que a continha – um pequeno cilindro de urânio empobrecido (não muito radioativo) revestido com ouro, conhecido como hohlraum.

Os novos designs permitiram que os lasers do NIF que aqueciam o pellet operassem de forma mais eficiente dentro do hohlraum, e o invólucro quente da cápsula se expandisse rapidamente para fora enquanto o pellet de combustível “implodia” – com o resultado de que o combustível se fundiu a uma temperatura tão alta que aqueceu outras partes do pellet em um plasma.

“Isso é significativo, pois é um passo necessário no caminho para produzir grandes quantidades de energia a partir da fusão em relação à energia que colocamos”, disse o físico Alex Zylstra à Live Science por e-mail. Zylstra liderou os experimentos iniciais de plasma auto-aquecido e é o principal autor do estudo da Nature sobre eles.

Embora muitos outros marcos científicos sejam necessários antes que a fusão de confinamento inercial possa ser utilizada como fonte de energia, a etapa de alcançar um plasma “auto-aquecido” permitirá que os cientistas aprendam mais sobre o processo, disse ele.

“Plasmas auto-aquecidos do NIF estão agora em um novo regime onde podemos estudar cientificamente tais condições”, disse Zylstra.

Kritcher acrescentou que o avanço proporcionará uma melhor compreensão da fusão nuclear que pode ser usada em outros tipos de reações de fusão – como as que ocorrem em tokamaks – e não apenas em reações obtidas por meio de fusão por confinamento inercial.

“Este trabalho é importante, pois fornece acesso a um novo regime de física de plasma que fornecerá uma riqueza de compreensão para toda a comunidade de fusão”, disse ela.