Fusão nuclear com combustível líquido usando ondas de choque

Redação do Site Inovação Tecnológica - 14/07/2023

Este é o laser que permitiu comprovar experimentalmente a formação das conchas virtuais em torno do combustível.
[Imagem: J. Adam Fenster/U. Rochester]

Cápsula dinâmica

Uma equipe internacional conseguiu demonstrar experimentalmente uma abordagem que deverá acelerar muito o desenvolvimento da fusão nuclear, que promete uma fonte de energia virtualmente limpa e quase inesgotável.

Igor Igumenshchev e seus colegas confirmaram a formação de uma concha dinâmica, uma carapaça esférica que os teóricos haviam previsto que deveria se formar ao redor do deutério e do trício, os isótopos de hidrogênio usados como combustível para a fusão nuclear.

E essa carapaça não é física no sentido trivial - ela não é concreta, é formada por ondas de choque que se formam conforme o combustível é pressionado para que seus átomos se fundam.

Isto significa que pode não ser necessário construir as complicadas e delicadas cápsulas onde o combustível da fusão nuclear é colocado.

Ignição da fusão nuclear

Quando pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Livermore, nos EUA, conseguiram fazer a ignição da fusão nuclear no ano passado, eles dirigiram um conjunto de 192 feixes de laser sobre uma cápsula de dois milímetros contendo o combustível, chamada hohlraum.

O aquecimento quase instantâneo faz essa cápsula implodir, comprimindo os átomos em seu interior, que então se fundem - esta é a fusão nuclear, que libera uma quantidade enorme de energia.

Assim, não é difícil de concluir que a construção dessa cápsula é o elemento mais sensível de toda a operação da usina, já que ela precisa colapsar com uma homogeneidade quase perfeita, algo que está longe de ser alcançado.

É aí que entra essa "cápsula dinâmica", que consiste em uma concha que se forma em volta dos átomos do combustível, bastando para isso congelá-los adequadamente, simplificando muito o processo de fusão por confinamento inercial, uma das mais promissoras para tornar prática a fusão nuclear.

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Na primeira linha, o conceito de concha dinâmica para ignição direta da fusão nuclear. Na linha inferior, três técnicas de visualização mostrando a formação da "carapaça" virtual durante os experimentos realizados agora.
[Imagem: Igor V. Igumenshchev et al. - 10.1103/PhysRevLett.131.015102]

Cápsula de ondas de choque

Em 2020, Valeri Goncharov, da Universidade de Rochester, liderou uma equipe que propôs a ideia da concha dinâmica.

Essa formação de concha dinâmica foi apresentada como um método alternativo para criar alvos nos quais uma gota líquida de deutério e trício é injetada em uma cápsula de espuma. Quando bombardeada pelos pulsos de laser, a cápsula gera uma concha esférica criada por ondas de choque, então implode e colapsa, resultando na ignição da fusão nuclear.

"Depois de saltar do centro, o choque refletido alcança a superfície externa da esfera e o material que recebe o choque começa a se expandir para fora. A contra-pressão de ablação acaba interrompendo essa expansão, e subsequentemente lança um choque em direção ao centro do alvo, comprimindo o ablator e o combustível e formando uma casca," descreveram Goncharov e seus colegas.

Assim, tirar proveito dessa concha dispensa a cara e complexa camada criogênica que os métodos convencionais de geração de energia de fusão inercial empregam - em vez deles, usa-se alvos líquidos, que serão muito mais fáceis de fazer.

Esta é a cápsula de combustível (esquerda) usada hoje, e um esquema do que acontece com ela (direita) quando os lasers são disparados.
[Imagem: NIF/LLNL]

Combustível líquido para fusão

Agora, em um experimento de prova de princípio em escala reduzida, Igumenshchev, Goncharov e seus colegas usaram o laser Ômega, da Universidade de Rochester, para moldar uma esfera de espuma plástica com a mesma densidade do combustível líquido deutério-trício.

A casca de ondas de choque se desenvolveu como previsto na teoria, demonstrando uma etapa crítica no conceito de concha dinâmica.

Para realmente gerar fusão usando a técnica de formação dinâmica de concha, será necessário desenvolver lasers com pulsos mais longos e de maior energia, mas o experimento feito agora sugere que a formação dinâmica de concha pode ser viável como um caminho para reatores de energia de fusão mais práticos.

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