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Cápsula de diamante aplana caminho para fusão nuclear

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:

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

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




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