Liquid Target traz um novo toque à fusão inercial

Jul 29, 2023

Em dezembro passado, quando cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Livermore, do National Ignition Facility (NIF), obtiveram um ganho líquido de energia – ou ignição – em um reator de fusão, era praticamente possível ouvir o champanhe sendo aberto. A descoberta do NIF foi certamente um “primeiro passo necessário”, mas a eventual possibilidade de fusão produzida em massa ainda permanece muito, muito distante.

Mais uma razão, então, para celebrar um primeiro passo pequeno, mas necessário, para outra forma de fusão inercial. Pesquisadores do Laboratório de Energética Laser (LLE) da Universidade de Rochester demonstraram um conceito chamado formação de casca dinâmica (DS), que poderia ser usado para criar alvos mais baratos para energia de fusão inercial.

Numa reação de fusão, dois núcleos atômicos mais leves se combinam para formar um núcleo mais pesado, liberando uma grande quantidade de energia. Essas reações ocorrem no plasma, em condições de temperatura e pressão extremamente altas (acima de 100 milhões de graus Celsius). Eles também precisam de confinamento confiável para sustentar a reação por tempo suficiente para um ganho líquido de potência.

Os alvos de combustível congelado da National Ignition Facility são difíceis de atingir e cada um requer dias para ser fabricado. Isto é um problema, porque uma central de fusão necessitaria de cerca de um milhão de alvos por dia.

Assim como as vastas e amplamente discutidas instalações do NIF, no sistema de prova de conceito do grupo Rochester, as reações são iniciadas pela compressão e aquecimento de alvos usando lasers. Os alvos são minúsculos pellets cheios de combustível, que geralmente é composto pelos isótopos de hidrogênio deutério (D) e trítio (T). A energia de fusão é então gerada na fração de segundo antes que o alvo seja destruído pelas temperaturas e densidades extremas como resultado da compressão.

No método DS, em vez dos alvos convencionais de combustível de hidrogênio congelado usados ​​no NIF, os pesquisadores usam alvos líquidos. Estes são constituídos por uma cápsula de espuma úmida na qual uma gota de combustível líquido DT é injetada. O alvo é então bombardeado por pulsos de laser cronometrados que primeiro causam uma onda de choque e depois a expandem. A onda de choque forma uma concha densa com um vazio no centro e, finalmente, a concha implode, liberando energia de fusão.

“Não estava claro se esta técnica funcionaria em princípio”, diz o colega Igor Igumenshchev, cientista sênior da LLE, “então fizemos um experimento de prova de princípio [para mostrar] que esta evolução é possível e é estável o suficiente para prosseguir com pesquisas adicionais.” Os pesquisadores usaram um alvo de espuma substituto com aproximadamente a mesma densidade do combustível líquido. O próximo passo, dizem, será fazer o experimento com combustível DT, que será mais complicado.

Os pellets congelados de DT que são convencionalmente usados ​​na fusão por confinamento inercial (ICF) são difíceis de fabricar e levam dias para produzir um único alvo. Isto é um problema porque uma central de fusão necessitaria de cerca de um milhão de alvos por dia. Os alvos líquidos descritos na técnica DS, no entanto, não requerem a complexa estratificação criogênica dos congelados e são, portanto, muito mais baratos e fáceis de produzir.

Outra vantagem do conceito DS é que você começa com um alvo mais simples – apenas uma gota de líquido, diz Valeri Goncharov, diretor da divisão teórica da LLE e co-líder do projeto. Com os lasers, diz ele, o alvo é expandido e moldado em uma concha com uma superfície mais lisa do que a do sistema NIF. “Sabemos agora que não há nada do ponto de vista da física que nos impeça de produzir alvos que possam fornecer a ignição correta para usinas de energia”, diz ele. “O que precisamos é comprimir eficientemente o alvo.”

A desvantagem da técnica de formação DS é que ela requer pulsos de laser de longa duração que são difíceis de produzir usando a tecnologia laser atual. A formação de DS também gera interações laser-plasma. De acordo com Goncharov, “este é o maior problema atualmente na CIF – eliminar ondas de plasma que espalham energia de volta”. Isso é algo em que estão trabalhando na LLE, acrescenta.