Passos para energia de fusão

Próximo de seu quinto aniversário, o National Ignition Facility (NIF), uma conturbada instalação de fusão a laser na Califórnia, finalmente produziu alguns resultados que pode entusiasmar os cientistas de fusão. Em uma série de experimentos no ano passado, pesquisadores do NIF conseguiram produzir rendimentos energéticos 10 vezes maiores do que os produzidos antes, e para demonstrar o fenômeno da auto aquecimento que será crucial se a fusão atingir seu objetivo final de "ignição", uma auto--sustentável reação ardente que produz mais energia do que consome, relata uma matéria Science desta semana.

"Esta é uma conquista muito importante, e é um bom lugar para começar a ir com um maior rendimento", diz Steven Rose, do Centro de Estudos de fusão inercial do Imperial College de Londres.

O NIF, situado no Lawrence Livermore National Laboratory, na Califórnia, tem como objetivo reproduzir a fonte de energia do sol e de bombas de hidrogênio através da fusão de núcleos de dois isótopos de hidrogênio: deutério e trítio. Ele faz isso, aquecendo-os a enormes pressões e temperaturas com maior laser de energia do mundo, para que os núcleos esmaguem com força suficiente para superar a repulsão mútua natural.

Após a conclusão, em 2009, os pesquisadores do NIF embarcaram em uma campanha de 3 anos para atingir a ignição o mais rápido possível. Mas quando esse período terminar, eles ainda estarão muito longe de seu objetivo. O Congresso dos EUA concedeu ao laboratório mais 3 anos para realizar uma série de experimentos exploratória e identificar os problemas.

Os novos resultados publicados na semana passada na revista Physical Review Letters, é o primeiro sinal de que esta abordagem está funcionando. "É um bom resultado", diz Robert McCrory, diretor do Laboratório de Energética Laser da Universidade de Rochester, em Nova York, outro laboratório de fusão a laser, acrescentando rapidamente que o NIF ainda está longe de ignição. "As pessoas esperam um avanço em breve vai se decepcionar", diz ele.

Para alcançar as condições necessárias para a fusão, algumas instalações, como o reator ITER na França, usam campos magnéticos poderosos para restringir combustível e aquecê-lo com feixes de partículas. O NIF segue uma abordagem diferente: explodir uma pequena amostra de combustível com um pulso de laser para fazer uma pequena explosão de fusão. Se tudo der certo, a explosão terá uma energia maior do que o pulso de laser, oferecendo um ganho líquido de energia. Do laser de NIF, do tamanho de um estádio de futebol, produz 192 raios ultravioletas que podem entregar 1,9 megajoules aproximadamente a energia cinética de um caminhão de 2 toneladas, viajando a 160 quilômetros por hora em um pulso que dura apenas nanossegundos.

Os feixes de raios ultravioletas são convertidos em raios-x, o qual, em seguida, caem sobre a cápsula de combustível, uma esfera de plástico oco menor do que um grão de pimenta que contém 0,17 mg de deutério e trítio congelado. O intenso pulso de raios-x bate na cápsula e faz com que alguns dos plásticos explodam o que impulsiona o plástico restante e o combustível congelado em direção ao centro em alta velocidade. Se tudo correr conforme o planejado, o resultado é uma pequena bola de combustível de fusão em 50 milhões de kelvin, 100 vezes a densidade do chumbo suficientemente quente e denso o suficiente para desencadear reações de fusão.

Os planos originais do NIF, diz que para atingir a ignição eles se baseiam fortemente em simulações com base em trabalhos anteriores em Livermore e outros laboratórios. Uma vez que os cientistas começaram a disparar o NIF, todo o processo pareceu funcionar, e as simulações previram que o NIF deve estar recebendo um monte de fusão. Mas os instrumentos contaram uma história diferente: os rendimentos energéticos foram muito baixos. Em 2012, o Congresso ordenou uma investigação, o que, em última instância criticou pesquisadores do NIF por não ser capaz de explicar a divergência entre simulação e experimento. Em 2013, os pesquisadores do NIF começaram a explorar os problemas mais cientificamente, houve também uma mudança de liderança no laboratório e novos pesquisadores se juntaram à equipe.

Eles identificaram dois problemas principais. A compressão da pelota de combustível muitas vezes não era simétrico e produzia uma mancha em forma de rosquinha de combustível, e durante a implosão, a cápsula de plástico foi quebrando e se misturando com o combustível, tornando mais difícil para despertar fusão no final.

Para resolver o problema a nova equipe começou a brincar com as energias relativas dos 192 feixes de laser para empurrar um pouco mais em alguns lugares e um pouco menos em outros, na esperança de conseguir uma implosão mais simétrica.

Para evitar a dissolução da cápsula, os pesquisadores ajustaram o calendário do pulso de laser. Tiros anteriores haviam executado uma potência baixa para a maioria de seus 20 nanossegundos para obter a implosão em movimento sem aquecer o combustível e depois terminar com uma explosão de alta energia para a faísca final. A ideia por trás dessa abordagem "de baixo pé" foi que o combustível seria legal para comprimir uma maior densidade no final. A desvantagem foi que a velocidade mais lenta permitiu que o Time Capsule para quebrar. Em fotos em pouco pé, "há muitas coisas acontecendo ao mesmo tempo, você não pode ver o que está acontecendo", diz Stephen Obenschain, chefe da filial de plasma a laser da divisão de física do plasma no Laboratório de Pesquisa Naval em Washington, DC.

A nova equipe do NIF decidiu tentar um pulso que começou com uma potência um pouco maior, para fazer com que o combustível implodisse mais rápido, e acabar com o pulso, mais cedo, depois de apenas 15 nanosegundos. Embora tais pulsos com "pé alto" não lhes permitiria chegar o mais alto na densidade final, os pesquisadores esperavam que isso ajudasse a controlar a mistura. Um tiro realizado no dia 13 de agosto do ano passado lhes deu razão, com um salto enorme na produção de energia. Outros dois tiros, em 27 de Setembro e 19 de Novembro, fizeram ainda melhor, produzindo mais energia (14,4 e 17,3 quilojoules) do que foi depositado no combustível de fusão durante a implosão (11 e 9 quilojoules), a primeira vez que já foi atingido em um experimento de fusão a laser. "Demos um passo atrás do que havia sido tentado antes e que nos deu um salto para frente", diz o líder da equipe NIF Omar, em uma conferência de imprensa esta semana.

É importante ressaltar que a equipe também viu um fenômeno de auto-aquecimento que será vital para o aumento da produção de fusão. As reações de fusão produzem partículas alfa (núcleos de hélio), bem como nêutrons, e quando iniciar reações no núcleo do combustível, os alfas ajudam o aquecimento do combustível em torna-se mais fria à temperatura de reação. A equipe do NIF pensa que em suas melhores fotos, este alfa-aquecimento dobrou seu rendimento de fusão. "Alphas realmente aquecer o gás", diz Rose.

Os observadores também notaram que em fotos do ano passado, houve um acordo mais estreito entre simulações e resultados experimentais. "Fazendo essas implosões menos exigentes, os resultados concordam com os códigos e isso é muito encorajador", diz Michael Campbell, um ex-diretor do NIF agora no Sandia National Laboratories. "Eles podem confiar em simulações agora de uma maneira que não podia antes", diz Rose.

No entanto, os tiros recentes ainda estão longe do que a maioria dos pesquisadores da fusão considera ser um "ganho" real: mais energia de fusão para fora do que a energia do laser dentro, embora os tiros produzissem mais rendimento do que a energia no combustível, grande parte da energia do pulso de laser é perdida quando é convertido de UV para raios-x e focada sobre a cápsula de combustível. Melhor foto do ano passado produziu menos de 1% da energia do pulso de laser.

As opiniões estão divididas sobre o que a equipe do NIF deve fazer agora. McCrory não acredita que a abordagem atual acabará por levar a ignição ao sucesso, mais inovação será necessário. "Eles estão empurrando o mais longe que eles podem", diz ele. Rose concorda: "Eu não tenho certeza se eles têm uma rota para ganho real." O problema é que os pesquisadores discaram para trás a pressão final para controlar a mistura durante a implosão, agora eles têm que aumentar a pressão novamente para fazer o combustível denso suficiente para altos rendimentos, sem deixar a mistura de fluência para trás. "Sim, nós estamos limitados a esse controle", disse o furacão na conferência de imprensa. "É um ponto de partida. Agora precisamos atacar em diferentes direções.”

Apesar das incertezas, os pesquisadores são incentivados pelo progresso renovado no NIF. "Essas são as experiências certas para fazer", afirma o Campbell. "Quem sabe até onde eles podem tirar isso?"