Em descobertas que podem ajudar a avançar em outro “caminho viável” para a energia de fusão, a pesquisa liderada por físicos do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) provou a existência de nêutrons produzidos por meio de reações termonucleares de um dispositivo Z-pinch estabilizado por fluxo de cisalhamento.
Os pesquisadores usaram técnicas avançadas de modelagem computacional e dispositivos de medição de diagnóstico aperfeiçoados no LLNL para resolver um problema de décadas de distinguir nêutrons produzidos por reações termonucleares daqueles produzidos por instabilidades acionadas por feixes de íons para plasmas no regime de fusão magneto-inercial.
Embora a pesquisa anterior da equipe tenha mostrado que os nêutrons medidos a partir de dispositivos Z-pinch estabilizados por fluxo cisalhado eram “consistentes com a produção termonuclear, ainda não tínhamos provado completamente”, disse o físico do LLNL Drew Higginson, um dos coautores de um artigo recentemente publicado em Física dos Plasmas.
“Esta é uma prova direta de que a fusão termonuclear produz esses nêutrons e não íons impulsionados por instabilidades de feixe”, disse Higginson, investigador principal da equipe Portable and Adaptable Neutron Diagnostics (PANDA) que está fazendo pesquisas sob a Agência de Projetos de Pesquisa Avançada do Departamento de Energia – Acordo cooperativo de Energia (ARPA-E). “Não está provado que eles vão obter ganho de energia, mas é um resultado promissor que sugere que eles estão em um caminho favorável.”
O físico do LLNL James Mitrani foi o principal autor do artigo, que demonstra como a ampla gama de pesquisas do laboratório está beneficiando a comunidade de fusão maior além dos grandes avanços feitos pelo National Ignition Facility (NIF) do LLNL, o sistema de laser mais energético do mundo.
“A pesquisa se concentrou apenas neste único dispositivo”, disse Mitrani, “mas as técnicas e conceitos gerais são aplicáveis a muitos dispositivos de fusão neste regime de fusão magneto-inercial intermediário”. Ele observou que o regime opera na área entre instalações de fusão a laser, como NIF e Omega Laser Facility da Universidade de Rochester, e dispositivos de fusão que confinam plasmas no regime puramente magnético, como ITER (um projeto multinacional no sul da França), SPARC (em construção perto de Boston) ou outros dispositivos tokamak.
Desde agosto, o NIF gerou burburinho em toda a comunidade científica global porque um experimento de fusão de confinamento inercial (ICF) rendeu um recorde de 1,35 megajoules (MJ) de energia. Esse marco levou os pesquisadores ao limiar da ignição – definido pela Academia Nacional de Ciências e pela Administração Nacional de Segurança Nuclear como quando uma implosão NIF produz mais energia de fusão do que a quantidade de energia laser entregue ao alvo. Esse tiro foi precedido pelo progresso que os pesquisadores do LLNL fizeram em alcançar um estado de plasma ardente em experimentos de laboratório.
A fusão é a fonte de energia encontrada no sol, estrelas e armas termonucleares. Os experimentos ICF do NIF concentram 192 feixes de laser em um pequeno alvo para comprimir e aquecer isótopos de hidrogênio parcialmente congelados dentro de uma cápsula de combustível, criando uma implosão replicando as condições de pressão e temperatura encontradas apenas nos núcleos de estrelas e planetas gigantes e em armas nucleares explosivas. As máquinas Z-pinch realizam a fusão usando um poderoso campo magnético para confinar e “beliscar” o plasma.
O conceito Z-pinch é um design relativamente simples que existe como modelo teórico desde a década de 1930. Mas Higginson observou que tinha um longo histórico de “terríveis instabilidades” que dificultavam a capacidade de gerar as condições necessárias para obter um ganho líquido de energia de fusão.
Na década de 1990, os cientistas do LLNL começaram a trabalhar com pesquisadores da Universidade de Washington (UW) para avançar em outro caminho promissor para a ignição, o conceito Z-pinch estabilizado por fluxo cortado. Em vez de poderosos ímãs estabilizadores usados em outros dispositivos Z-pinch, os dispositivos Z-pinch estabilizados por fluxo cisalhado usam corrente elétrica pulsada para gerar um campo magnético que flui através de uma coluna de plasma para reduzir instabilidades que interrompem a fusão.
“O problema com as instabilidades é que elas não criam um caminho viável para a produção de energia, enquanto a fusão termonuclear sim”, disse Higginson. “Sempre foi complicado diagnosticar essa diferença, especialmente em um Z-pinch.”
Em 2015, os pesquisadores do LLNL e da UW receberam um acordo cooperativo ARPA-E de US $ 5,28 milhões para testar a física da estabilização de pinça em energias mais altas e corrente de pinça no projeto Fusion Z-Pinch Experiment (FuZE) da universidade.
Sob um acordo cooperativo subsequente da “equipe de capacidade” da ARPA-E, os pesquisadores do LLNL se concentraram em diagnósticos que mediram as emissões de nêutrons produzidas durante o processo de fusão, incluindo as localizações espaciais e perfis de tempo dessas emissões. Combinar a experiência em diagnóstico de plasma de laboratórios nacionais e a operação ágil de empresas privadas baseia-se em cada um de seus pontos fortes individuais e é um objetivo fundamental do programa de equipe de capacidade de fusão ARPA-E.
À medida que o raio do cilindro FuZE se estreitava para aumentar a compressão, também criava mergulhos no plasma que geravam campos magnéticos muito mais fortes que fariam com que o plasma se comprimisse mais em certos pontos do que em outros. Como as extremidades comprimidas de uma carne picada tubular popular, essas instabilidades indesejadas de “salsicha” criariam feixes de íons mais rápidos que produziriam nêutrons que poderiam ser confundidos com nêutrons produzidos por termonucleares desejados.
Os pesquisadores do LLNL colocaram dois detectores de cintiladores de plástico fora do dispositivo para medir traços de nêutrons à medida que emergiam em apenas alguns microssegundos de diferentes pontos e ângulos fora da câmara Z-pinch.
“Mostramos que as energias de nêutrons emitidas eram iguais em diferentes pontos ao redor deste dispositivo, o que é indicativo de reações de fusão termonuclear”, disse Mitrani.
A análise incluiu criar histogramas dos pulsos de nêutrons detectados pelos dois cintiladores e compará-los usando métodos como simulações computadorizadas de Monte Carlo que examinam todos os resultados possíveis.
Os diagnósticos não são novos, disse Higginson, mas “a ideia de usar histogramas de energias de pulsos de nêutrons individuais para medir a anisotropia – a diferença de energias quando você olha em direções diferentes – é uma técnica nova e é algo que pensamos, desenvolvemos e implementado aqui. Além disso, temos trabalhado com a UC Berkeley, que nos ajudou a desenvolver a capacidade de modelagem para eliminar as incertezas nas medições e entender completamente os dados que estamos vendo. Não estamos apenas analisando dados brutos dados.”
O artigo, “Emissão de nêutrons termonucleares de um Z-pinch estabilizado por fluxo cortado”, foi publicado em novembro e resultou de uma palestra convidada que Mitrani apresentou na reunião anual da American Physical Society-Division of Plasma Physics em 2020.
Mitrani e Higginson se juntaram ao colega do LLNL Harry McLean; Joshua Brown e Thibault Laplace da UC Berkeley; Bethany Goldblum da UC Berkeley e Lawrence Berkeley National Laboratory; e Elliot Claveau, Zack Draper, Eleanor Forbes, Ray Golingo, Brian Nelson, Uri Shumlak, Anton Stepanov, Tobin Weber e Yue Zhang da Universidade de Washington.
A pesquisa gerou uma startup de Seattle com financiamento privado chamada Zap Energy em 2017.
A pesquisa continua sob novas concessões, com medições mais detalhadas feitas por 16 detectores enquanto a Zap Energy continua os experimentos.
“Queremos estar envolvidos porque não sabemos quais surpresas podem surgir”, disse Higginson. “Pode acontecer que, à medida que você vá para uma corrente mais alta, de repente você comece a conduzir instabilidades novamente. Queremos ser capazes de provar à medida que a corrente sobe que é possível manter uma alta qualidade e um aperto estável.”
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