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Energia

Cápsula de diamante aplana caminho para fusão nuclear

Redação do Site Inovação Tecnológica - 15/08/2018

Cápsula de diamante aplana caminho para fusão nuclear
Cápsula de diamante para fusão nuclear fabricada por deposição de vapor químico (CVD), com um diâmetro de cerca de meio milímetro. À direita, comparação do indesejável "tremor" causado pelo laser no diamante e no poliestireno.
[Imagem: Hiroki Kato/U.Osaka]

Fusão nuclear a laser

Uma das técnicas de fusão nuclear mais promissoras, a fusão nuclear a laser, consiste em usar poderosos feixes de laser para comprimir uma pequena cápsula, conhecida como "sala oca" (hohlraum), contendo os isótopos de hidrogênio deutério e trício.

A teoria diz que a força do laser vai comprimir esse combustível para iniciar a fusão nuclear, recriando na Terra a reação que alimenta as estrelas, suprindo energia de forma sustentável e virtualmente sem radiação.

Na prática, tem-se mostrado difícil fabricar uma cápsula que ceda de forma homogênea, a fim de comprimir o combustível por igual e iniciar a fusão - essa técnica é conhecida como fusão por confinamento inercial.

Hiroki Kato e seus colegas da Universidade de Osaka, no Japão, acreditam que a melhor saída é fabricar uma cápsula de diamante.

Não parece uma solução óbvia, porque o normal tem sido fabricar cápsulas de materiais muito leves, para que a cápsula não desperdice a energia do laser e a fusão possa ser iniciada mais rapidamente.

Contudo, valendo-se do fato de que o diamante é rígido, mas exibe alta elasticidade sob uma pressão muito elevada, de 100 GPa, Kato e seus colegas demonstraram que a perturbação criada pelo laser na superfície da cápsula de diamante foi reduzida para aproximadamente 30% daquela verificada no poliestireno, o material normalmente usado para fabricar essas cápsulas tipo "sala vazia".

Cápsula de diamante aplana caminho para fusão nuclear
O grande destaque da nova técnica é a lisura da esfera de diamante, que dispensa polimento.
[Imagem: H. Kato et al. - 10.1016/j.diamond.2018.04.010]

Cápsula de diamante

Usando um dos equipamentos mais modernos de deposição de vapor químico, Kato fabricou seus primeiros protótipos que, segundo ele, resolvem o problema da "perturbação" que o laser causa ao atingir o diamante - é essa perturbação que faz com que a cápsula ceda de forma desigual, diminuindo a pressão que chega ao combustível.

A cápsula de diamante tem uma esfericidade de 99,7% e uma lisura superficial menor do que 0,1 micrômetro, e a equipe afirma que dá para melhorar ajustando a concentração dos gases usados (hidrogênio e metano) e a pressão a que eles são submetidos durante o processo de deposição de vapor químico.

A grande vantagem é que esse método não exige polimento da cápsula final, eliminando os danos devido a esse processo de acabamento e problemas na superfície causados por tensão residual devido a danos durante a usinagem.

"O uso de diamante como material para cápsulas de combustível permitirá uma compressão estável e o aquecimento eficiente do combustível de fusão a laser, acelerando as reações de fusão nuclear," disse o professor Keisuke Shigemori.

A Universidade de Osaka lidera um experimento de fusão nuclear a laser, chamado GEKKO XII, mas os maiores laboratórios desse tipo no mundo são o HIPER (Pesquisa de Energia Laser de Alta Potência), na Europa, e o NIF (National Ignition Facility), nos Estados Unidos.

Bibliografia:

Artigo: Effect of equation of state on laser imprinting by comparing diamond and polystyrene foils
Autores: H. Kato, K. Shigemori, H. Nagatomo, M. Nakai, T. Sakaiya, T. Ueda, H. Terasaki, Y. Hironaka, K. Shimizu, H. Azechi
Revista: Physics of Plasmas
Vol.: 25, Issue 3
DOI: 10.1063/1.5018906

Artigo: Synthesis and characterization of diamond capsules for direct-drive inertial confinement fusion
Autores: Hiroki Kato, Hideaki Yamada, Shinya Ohmagari, Akiyoshi Chayahara, Yoshiaki Mokuno, Yuji Fukuyama, Neo Fujiwara, Kouhei Miyanishi, Yoichiro Hironaka, Keisuke Shigemori
Revista: Diamond & Related Materials
Vol.: 86, June 2018, Pages 15-19
DOI: 10.1016/j.diamond.2018.04.010






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