No finalzinho de 2022 conseguimos atingir a fusão nuclear por ignição a laser
Em 5 de dezembro de 2022, o U.S. Department of Energy (DOE) – Departamento de Energia dos Estados Unidos, e a National Nuclear Security Administration (NNSA) – Administração Nacional de Segurança Nuclear, anunciaram em 05/12/2022 a realização da fusão por ignição no Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) – um grande avanço científico em desenvolvimento que abrirá caminho para avanços na indústria nacional e o futuro da energia limpa.
Uma equipe da National Ignition Facility (NIF) Instalação Nacional de Ignição do LLNL conduziu o primeiro experimento de fusão controlada da história ao atingir esse marco, também conhecido como equilíbrio científico de energia, o que significa que produziu mais energia a partir da fusão do que a energia do laser usada para impulsioná-la. Temos uma compreensão teórica da fusão há mais de um século, mas a jornada do saber ao fazer pode ser longa e árdua. O marco de hoje mostra o que podemos fazer com perseverança, disse o Dr. Arati Prabhakar, principal conselheiro do presidente para Ciência e Tecnologia e diretor do Gabinete de Política Científica e Tecnológica da Casa Branca. Na figura ao lado vemos os braços criogênicos segurando o cilindro Hohlraum.
A busca da fusão por ignição no laboratório é um dos desafios científicos mais significativos já enfrentados pela humanidade, e alcançá-lo é um triunfo da ciência, da engenharia e, acima de tudo, das pessoas. Disse o diretor do LLNL. Atravessar esse limiar é a visão que tem impulsionado 60 anos de busca dedicada – um processo contínuo de aprendizado, construção, expansão de conhecimento e capacidade e, em seguida, encontrar maneiras de superar os novos desafios que surgiram.
Dr. Kim Budil
Composição dos aparatos de fusão por confinamento inercial
O confinamento inercial é um método de confinamento de partículas ou campos de energia, como campos elétricos ou magnéticos, usando forças inerciais para mantê-los concentrados em uma determinada área. Isso é feito criando condições em que a partícula ou campo de energia é forçado a seguir uma trajetória circular ou elíptica em alta velocidade, de modo que a pseudo força centrífuga gerada pelo movimento mantém a partícula ou campo confinados em uma região específica.
O confinamento inercial é utilizado em várias áreas, incluindo fusão nuclear, que busca confinar o plasma quente e ionizado gerado pelo processo de fusão para controlar e aproveitar a energia liberada. É também utilizado em experimentos científicos para estudar a natureza da matéria e da energia em condições extremas.
Cilindro Hohlraum (câmara de radiação termodinâmica)
Maquete de um hohlraum banhado a ouro projetado para uso no National Ignition Facility (NIF) Instalação Nacional de Ignição. Um cilindro Hohlraum típico tem apenas alguns milímetros de largura com orifícios de entrada de laser em cada extremidade. A cápsula de combustível de deutério-trítio (não mostrada) está adaptada dentro do hohlraum para experimentos de fusão por confinamento inercial (ICF) no National Ignition Facility (NIF), Instalação Nacional de Ignição.
Esfera combustível DT (deutério/trítio) de 2 mm de diâmetro
Uma cápsula alvo, com apenas 2 milímetros de diâmetro, é visível através de uma porta em um hohlraum. (Foto de Eduard Dewald.).
Tubos de enchimento DT (Deutério e Trítio)
Os tubos de enchimento são usados para injetar uma mistura de combustível de deutério e trítio (DT) em uma casca esférica do tamanho de um grão de pimenta suspensa dentro de um hohlraum. Os 192 feixes de laser de alta energia do NIF atingem as paredes internas do hohlraum, gerando raios X que desencadeiam uma reação de fusão à medida que a mistura DT se comprime em um ponto quente gerador de energia.
A cápsula de combustível redonda está no final do tubo de enchimento, que se reduz a 2 mícrons no invólucro. Crédito: General Atomics.
Braço criogênico que segura o cilindro hohlraum
Os alvos NIF são controlados com precisão em um sistema de resfriamento criogênico que mantém o combustível deutério-trítio congelado dentro de uma cápsula de tamanho milimétrico.
O que é fusão nuclear Deutério Trítio?
Em uma reação de fusão, os núcleos de dois isótopos de hidrogênio, deutério (contendo um nêutron e um próton) e trítio (dois nêutrons e um próton), são forçados juntos por extremos de temperatura e pressão e se fundem para formar um núcleo de hélio. No processo, parte da massa do hidrogênio é liberada como energia.
A fusão descreve o que acontece quando os núcleos de átomos leves, como o hidrogênio, superam a força eletrostática repulsiva que os mantém separados. Quando os núcleos se aproximam o suficiente, a força que une prótons e nêutrons, a força forte, assume e puxa os núcleos ainda mais próximos, de modo que eles “se fundem” em um novo núcleo de hélio mais pesado com dois nêutrons e dois prótons.
O núcleo de hélio, também conhecido como partícula alfa, tem uma massa ligeiramente menor que a soma das massas dos dois núcleos de hidrogênio, e a diferença de massa é liberada como energia de acordo com a famosa fórmula de Albert Einstein E=mc2. A energia é liberada na forma de partículas alfa, nêutrons de alta energia e outras formas de energia, como radiação eletromagnética.
A fusão nuclear é diferente da fissão nuclear, onde os núcleos de elementos pesados como o urânio são divididos, formando dois elementos mais leves – o processo usado nas usinas nucleares de hoje. Em ambas as reações nucleares, os próprios elementos mudam e se tornam novos elementos – e no processo, uma pequena quantidade de massa é convertida em uma grande quantidade de energia.
Como a injeção a laser realiza a fusão?
Com uma alta temperatura do íon (Ti) aproximadamente 100 TP (terapascais) ou 1.16×107 °C (graus celsius) ou 11,6 milhões de graus centígrados – necessária para fusão – enquanto o combustível estagna no centro da implosão, o DT forma um ponto quente na superfície interna do combustível e o trabalho é realizado; o ponto quente, gerando altas temperaturas de íons e elétrons próximos do equilíbrio térmico (Ti ≈ Te ≈ 4–5 keV, 1 keV = 1,16 × 107K, onde Ti e Te são as temperaturas do íon e do elétron). Se as condições de alta temperatura e pressão são alcançadas, o ponto quente inicia as reações de fusão DT e o auto aquecimento aumentam ainda mais o Ti.
O hohlraum absorve aproximadamente 10-15% dos raios X, causando a ionização da borda externa da cápsula (ablator), gerando alta pressão da ordem de 9.869×108 atm (atmosferas) ou 986,9 milhões de atmosferas terrestres de pressão, um processo denominado ablação. Uma concha criogênica contendo o combustível DT é colocada em camadas dentro da superfície interna do ablator, que está em equilíbrio de pressão parcial com vapor DT no centro da cápsula. A aceleração dirigida para dentro causada pela ablação impulsiona a cápsula e o combustível DT para dentro de si (uma implosão, mostrado esquematicamente à direita da acima) com enorme aceleração (cerca de 1014 m s-2) obtendo velocidades de aproximadamente 350-400 km s-1, em questão de nanossegundos, a maior parte da energia de raios X (cerca de 92-95%) é absorvida pela cápsula e consumida pelo processo de ablação, mas com um resultado, o combustível DT obtém energia cinética considerável (cerca de 10-20 kJ) dentro um volume muito pequeno. Ao disparar um conjunto de 192 lasers com uma energia de 2,05 (MJ) mega joules, ocorreu a fusão do Hidrogênio, produzindo o equivalente a 3,15 MJ de energia. O ganho líquido descontado a energia gasta pelo laser foi de 1.9 MJ (Mega Joules) ou 528 Wh (Watts hora).
Quando teremos energia comercial gerada por fusão de ignição a laser?
Até que essa tecnologia possa ser amplamente distribuída, pode levar décadas, os desafios neste momento são: tornar viável a geração com ampliação da potência dos lasers, redução da câmara geradora, repetição do experimento, etc. Entretanto, esse tempo poderá ser diminuído conforme investimentos sejam aplicados pela iniciativa privada nesta nova tecnologia. Outra questão importante é que o uso de energia com base nos fósseis está com os dias contados em nosso planeta. A sustentabilidade energética é o único caminho civilizatório viável no médio e longo prazos.
Referências Bibliográficas
- National Ignition Facility achieves fusion ignition – Breanna Bishop bishop33@llnl.gov
- Base de conhecimento técnico gerada por IA Ativa GPT-3 em modo OpenChat
- Wikiwand.com
- Magnetized Targets Boost NIF Implosion Performance
- High-Laser-Energy Shot Puts NIF Back on Track Toward Ignition
- The Shape of Things to Come
- Two-Micron Fill Tubes Fill Two Needs
- NIF’s Guide to How Lasers Work
- A Legacy of Lasers and Laser Fusion Pioneers
- Pursuing Fusion Ignition
- Stadermann
- Power Conditioning System
- Burning plasma achieved in inertial fusion
- High-density carbon ablator experiments on the National Ignition Facilitya)
- Fonte: https://rcristo.com.br/2023/01/06/fusao-nuclear-sustentavel-e-alcancada-por-ignicao-a-laser-em-05-12-2022/
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