Nova técnica pode permitir geração em massa de energia por fusão nuclear

A fusão, que replica a mesma reação que alimenta o sol, há muito é vista como uma fonte de energia ideal devido ao seu potencial de ser segura, limpa, barata e confiável.

Desde o início dos anos 1960, os cientistas buscam a possibilidade de usar lasers de alta potência para comprimir material termonuclear por tempo suficiente e em temperaturas altas o suficiente para desencadear a ignição – o ponto em que a saída resultante da energia de fusão inercial é maior do que a energia entregue ao alvo.

Os cientistas alcançaram a ignição em dezembro de 2022 no National Ignition Facility no Lawrence Livermore National Laboratory, mas muitos obstáculos permanecem para tornar a energia de fusão técnica e comercialmente viável para produção e consumo em massa.

Pesquisadores do Laboratório de Laser Energetics (LLE) da Universidade de Rochester demonstraram, pela primeira vez, experimentalmente um método chamado formação dinâmica de “casca”, que pode ajudar a atingir o objetivo de criar uma usina de fusão.

Os pesquisadores, incluindo Igor Igumenshchev, cientista sênior do LLE, e Valeri Goncharov, cientista distinto e diretor da divisão de teoria do LLE e professor assistente (pesquisa) no Departamento de Engenharia Mecânica, discutem suas descobertas em um artigo publicado na Physical Review Letters.

“Este experimento demonstrou a viabilidade de um conceito de cápsula-alvo inovador adequado para produção em massa acessível para energia de fusão inercial”, diz Igumenshchev.

A abordagem convencional para energia de fusão inercial

Na abordagem convencional da energia de fusão inercial, um alvo que consiste em uma pequena quantidade de combustível de hidrogênio – na forma dos isótopos de hidrogênio deutério e trítio – é congelado como sólido em uma cápsula esférica. O projétil é então bombardeado por lasers, aquecendo o combustível central a pressões e temperaturas extremamente altas. Quando essas condições são alcançadas, a cápsula colapsa e pega fogo, sofrendo fusão.

O processo libera uma enorme quantidade de energia que tem o potencial de gerar uma usina elétrica livre de carbono. Mas uma usina de fusão, ainda hipotética, exigiria quase um milhão de cápsulas por dia. Os métodos atuais para fabricar cápsulas usando um processo de preparação congelada são caros e elas são difíceis de produzir.

Formação dinâmica de cascas: mais viável, menos dispendiosa

A formação dinâmica de cascas é um método alternativo para criar cápsulas-alvo nos quais uma gota líquida de deutério e trítio é injetada em uma cápsula de espuma. Quando bombardeada por pulsos de laser , a cápsula se desenvolve em uma concha esférica, que então implode e colapsa, resultando em ignição. A formação dinâmica da casca não requer a dispendiosa camada criogênica que os métodos convencionais de geração de energia de fusão inercial empregam, porque usa cápsulas líquidas. Esses alvos também serão mais fáceis de fazer.

Goncharov descreveu pela primeira vez a formação dinâmica de cascas em um artigo em 2020, mas o conceito não havia sido demonstrado experimentalmente. Em um experimento de prova de princípio em escala reduzida, Igumenshchev, Goncharov e seus colegas usaram o laser OMEGA do LLE para moldar uma esfera de espuma plástica com a mesma densidade do combustível líquido deutério-trítio em uma cápsula, demonstrando uma etapa crítica no conceito da dinâmica de formação de cascas.

Para realmente gerar fusão usando a técnica de formação dinâmica de cascas, pesquisas futuras exigirão lasers com pulsos mais longos e mais energéticos, mas o experimento atual sugere que a formação dinâmica de cascas pode ser viável como um caminho para reatores de energia de fusão mais práticos.

“Combinar este conceito de cápsula com um sistema de laser altamente eficiente que está atualmente em desenvolvimento no LLE fornecerá um caminho muito atraente para a energia de fusão”, diz Igumenshchev.