A maioria das tecnologias de produção de energia usadas hoje são insustentáveis, pois causam danos significativos ao ambiente natural do nosso planeta. Nos últimos anos, cientistas de todo o mundo têm tentado conceber soluções energéticas alternativas que aproveitem os recursos naturais e abundantes.
Além das soluções de energia solar, energia eólica e energia da água do mar, alguns físicos e engenheiros vêm explorando a possibilidade de obter energia a partir de reações de fusão nuclear. Este é o processo através do qual dois núcleos atômicos se combinam para formar um núcleo mais pesado e um nêutron energético.
Duas equipes de pesquisa que trabalham no National Ignition Facility (NIF) do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) demonstraram novas abordagens para aumentar a produção de energia nuclear por meio de uma reação de fusão a laser. Suas descobertas, publicadas em artigos recentes da Nature e Nature Physics, abrem novas e excitantes possibilidades para um dia usar plasmas auto-aquecidos como fontes de energia sustentáveis.
“O recente artigo da Nature e o artigo complementar de Annie Kritcher et al. relatam os resultados da aplicação de uma estratégia para aumentar o desempenho da fusão que nossa equipe construiu e apresentou à comunidade de fusão de confinamento inercial cerca de quatro anos atrás”, Omar A. Hurricane, cientista-chefe do programa Inertial Confinement Fusion no LLNL, disse ao Phys.org.
Essa estratégia, baseada em décadas de trabalho anterior em pesquisa de fusão inercial, exigia aumentar significativamente o tamanho da cápsula de combustível dentro do alvo de fusão, o que aumenta o conteúdo de energia no combustível de fusão e reduz a taxa de resfriamento. Este trabalho, apelidado de ‘design de implosão de grande raio de alto rendimento’ (HYBRID), serviu como ponto de partida para os experimentos mais recentes dos pesquisadores.
“O trabalho apresentado na Nature Physics se baseou neste trabalho, entendimento e tecnologia anteriores, mas resolveu um novo desafio técnico de fornecer inicialmente mais energia ao plasma quente para gerar reações de fusão suficientes para que a fusão eventualmente ajudasse a reaquecer o plasma”, disse Annie. Kritcher, um dos principais pesquisadores envolvidos no estudo, disse ao Phys.org. “Para fazer isso, o tamanho da implosão foi ampliado, o que representou uma variedade de desafios técnicos”.
Embora Hurricane, Kritcher e suas equipes do Lawrence Livermore National Laboratory tenham demonstrado anteriormente o potencial da estratégia HYBRID, eles também descobriram que ela tinha uma série de limitações. Mais notavelmente, ao implementar o projeto HÍBRIDO, eles acharam difícil manter as propriedades relacionadas à estabilidade, velocidade de implosão e controle de simetria que obtiveram usando implosões de cápsulas menores, pois a energia do laser se esgotou rapidamente.
“À medida que a cápsula aumenta, precisamos de mais energia para impulsionar a implosão”, observa Chris Young, outro autor principal do estudo. “Como já estamos maximizando o laser NIF, temos que ser criativos sobre como aumentar a eficiência do ‘hohlraum’ que converte fótons de laser em raios-X que impulsionam a implosão.”
Em seu experimento, Kritcher e sua equipe lançaram raios laser no interior de uma lata dourada, produzindo um ‘forno de radiação’ de raios-X. Este ‘forno’ foi então usado para aquecer a parte externa de uma cápsula contendo o combustível de fusão e expelir o material para fora, produzindo uma força de compressão interna no combustível que finalmente faz com que a amostra imploda sob pressões extremas. Manter uma implosão esfericamente simétrica é fundamental para obter um bom desempenho.
“Nessas altas pressões, ocorrem reações de fusão e um produto dessas reações é reabsorvido, o que aquece ainda mais o plasma (autoaquecimento)”, explicou Kritcher. “Os avanços feitos neste trabalho nos permitiram conduzir implosões de maior escala que forneceram mais reações de fusão iniciais e mais autoaquecimento. Quando o autoaquecimento é maior do que o trabalho necessário para iniciar as reações de fusão, o plasma começou a queimar.”
Usando seu projeto experimental único, as duas equipes foram capazes de fazer com que o plasma ‘se aquecesse’. Isso poderia ajudar a produzir reações de fusão maiores, sem exigir equipamentos mais avançados e caros.
“A obtenção de um estado de ‘plasma em chamas’ tem sido um objetivo para a comunidade de pesquisa de fusão há décadas e é um passo necessário para níveis ainda mais altos de desempenho de fusão”, explicou Hurricane. “A obtenção de um plasma em chamas significa que estamos nos aproximando do ponto de inflexão da ignição por fusão.”
O trabalho recente do Lawrence Livermore National Laboratory é um grande passo à frente para a comunidade de pesquisa que explora reações de fusão nuclear. Além de resolver um problema de pesquisa de longa data no campo, poderia, em última análise, facilitar a introdução de soluções alternativas de energia baseadas em plasmas auto-aquecidos.
“Ser capaz de acessar esse regime permite o estudo desses plasmas extremos e é um primeiro passo crítico no objetivo final de alcançar ignição e altos ganhos de energia”, disse Kritcher. “Nosso trabalho futuro incluirá melhorias no design do alvo, para aumentar ainda mais a quantidade de fusão inicial e a reabsorção dos produtos de fusão para levar a ganhos maiores. Finalmente, também estudaremos esses novos sistemas de plasma”.
Em seus próximos estudos, as duas equipes planejam estudar o estado do plasma em chamas que observaram com mais profundidade, para entender melhor a física por trás disso. Além disso, eles gostariam de melhorar a robustez de seu design, por exemplo, reduzindo sua variabilidade de tiro a tiro.
“Experiências de fusão de confinamento inercial no NIF fizeram progressos constantes ao longo de uma década para investigar os desafios para alcançar as condições de plasma (pressões de centenas de bilhões de atmosferas) necessárias para que uma fusão significativa ocorra e supere esses desafios”, acrescentou Hurricane. “Continuaremos pressionando por níveis mais altos de desempenho de fusão, aproveitando o que aprendemos até agora.”
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