Os cientistas estão esperançosos de que o recente sucesso da National Ignition Facility aumentará a compreensão das reações termonucleares.
Cientistas da principal instalação de laser do Departamento de Energia dos EUA quebraram seu próprio recorde no início deste mês, gerando mais de 10 quatrilhões de watts de energia de fusão por uma fração de segundo – cerca de 700 vezes a capacidade de geração de toda a rede elétrica dos EUA em um determinado momento . A notícia da descoberta reavivou as esperanças de que a tão problemática National Ignition Facility (NIF) ainda possa atingir seu objetivo de produzir mais energia do que consome em uma reação de fusão sustentada.
Instalada no Laboratório Nacional Lawrence Livermore, na Califórnia, a instalação de US $ 3,5 bilhões não foi projetada para servir como um protótipo de usina de energia, mas sim para sondar as reações de fusão no coração das armas termonucleares. Depois que os Estados Unidos proibiram os testes nucleares subterrâneos no final da Guerra Fria em 1992, o departamento de energia propôs o NIF como parte de um Programa de Gerenciamento de Estoque de base científica, projetado para verificar a confiabilidade das armas nucleares do país sem detonar nenhum dos eles.
Com a descoberta da fusão a laser deste mês, os cientistas estão cautelosamente otimistas de que o NIF possa cumprir sua promessa, ajudando os físicos a entender melhor o início da fusão nuclear – e, portanto, a detonação de armas nucleares. “Essa é realmente a questão científica para nós no momento”, diz Mark Herrmann, vice-diretor de física de armas fundamental de Livermore. “Onde nós podemos ir? Quanto mais podemos ir?”
Aqui, a Natureza analisa a longa jornada do NIF, o que o avanço significa para o programa de administração do departamento de energia e o que está por vir.
Como o NIF consegue a fusão nuclear?
Com dez andares de altura e abrangendo a área de três campos de futebol americano, o NIF abriga uma série de óticas e espelhos que amplificam e dividem um pulso inicial de fótons em 192 feixes de laser ultravioleta, enfocando-os em um alvo menor do que uma borracha de lápis . Os feixes atingiram o alvo – um cilindro de ouro – com cerca de 1,9 megajoules de energia em menos de 4 bilionésimos de segundo, criando temperaturas e pressões vistas apenas em estrelas e bombas termonucleares.
Diante dessa força de pulso, o cilindro, que contém uma pelota congelada de deutério e trítio, entra em colapso quando os isótopos de hidrogênio no núcleo da pelota aquecem, se fundem e geram núcleos de hélio, nêutrons e radiação eletromagnética. O objetivo é desencadear uma cascata de partículas que leva a mais fusão e mais partículas, criando assim uma reação de fusão sustentada; por definição, a ‘ignição’ ocorre quando a reação de fusão gera mais energia do que consome. Os resultados preliminares do experimento em 8 de agosto indicam que as reações de fusão geraram um número recorde de 70% da energia usada no experimento – quase atingindo a ignição.
O NIF começou a operar em 2009. Por que demorou tanto para (quase) atingir a ignição?
Ninguém disse que seria fácil, mas construir o NIF provou ser um empreendimento mais complexo do que as autoridades pensavam inicialmente. A construção começou em 1997 e terminou mais de uma década depois, vários anos atrasada e pelo menos US $ 2,4 bilhões acima do orçamento.
O NIF perdeu sua meta de atingir a ignição em 2012; cientistas passaram anos desde o ajuste fino da instalação e introdução de alvos otimizados na câmara de reação. O sucesso recente foi alcançado após várias mudanças no sistema massivo, incluindo novos diagnósticos, técnicas aprimoradas de fabricação de alvos e melhorias na precisão dos lasers.
Muito antes de o NIF disparar seu primeiro tiro, ele foi cercado de polêmica. Cientistas independentes levantaram questões sobre o projeto e o gerenciamento da instalação. Recentemente, em maio de 2016, a Administração Nacional de Segurança Nuclear dos Estados Unidos (NNSA), um ramo do Departamento de Energia (DOE) que supervisiona as armas nucleares e financia o NIF em cerca de US $ 350 milhões por ano, questionou se a instalação jamais seria atingir seu objetivo de ignição.
Mas mesmo os críticos de longa data da instalação reconheceram a descoberta recente como um passo significativo à frente. Stephen Bodner, um físico de plasma que trabalhou anteriormente no Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA em Washington DC, disse que está “surpreso e satisfeito” com o resultado – presumindo que seja reproduzível. “Estou ansioso para ler o relatório científico que explica isso”, diz ele.
A equipe de Livermore e seus colaboradores estão apenas começando a estudar os resultados, mas os dados preliminares sugerem um aumento de 8 vezes no rendimento de energia em comparação com experimentos realizados há vários meses, e um aumento de 25 vezes em comparação com o recorde relatado anteriormente, estabelecido em 2018 Funcionários do laboratório disseram que fizeram o anúncio sobre o experimento antes da publicação revisada por pares porque as notícias dos resultados já estavam se espalhando pela comunidade de fusão.
Se o NIF atingir a ignição total, o que os resultados podem ensinar aos cientistas sobre armas nucleares?
Em teoria, o NIF poderia oferecer uma melhor compreensão das condições precisas necessárias para iniciar e manter uma reação de fusão – que é, de certa forma, o que os cientistas da instalação têm trabalhado ao otimizar o sistema nos últimos 12 anos . Essa questão também está no cerne do programa de gestão de estoques.
Desde 1992, os físicos vêm construindo um programa abrangente para estudar o arsenal nuclear dos Estados Unidos com supercomputadores cada vez mais poderosos e dezenas de outras instalações de pesquisa projetadas para testar de tudo, desde materiais e componentes nucleares a explosivos. Embora o NIF não esteja detonando bombas em miniatura, diz Herrmann, seus experimentos podem ajudar os cientistas a melhorar os modelos de computador que usam para simular como as armas vão detonar, reduzindo potencialmente as incertezas. Outros experimentos podem testar como os componentes eletrônicos e outros componentes de uma arma resistem às intensas explosões de radiação esperadas em um ambiente de guerra hostil.
Muitos cientistas argumentam que a instalação também aumenta a confiança no estoque de armas do país – e afasta ameaças externas – ajudando a atrair jovens pesquisadores para o campo nuclear e mantendo um empreendimento científico mais amplo. “Há um elemento geral de mostrar proezas científicas que também é importante”, diz Herrmann.
Mas o NIF é essencial para o programa de gestão de estoques dos EUA?
Alguns críticos questionam se os cientistas precisam da instalação para manter as armas nucleares dos Estados Unidos. Eles dizem que o programa de manejo já reforçou a confiança no estoque dentro da NNSA, e apontam que a agência agora está propondo construir o que são efetivamente novas armas nucleares, ao invés de simplesmente manter o cache atual com mudanças mínimas.
“Isso mostra uma enorme arrogância ou uma confiança incrível de que você pode construir muito do que precisamos nos próximos 50 anos, mesmo sem um NIF em funcionamento”, diz Hans Kristensen, que chefia o projeto de informação nuclear na Federação de cientistas americanos em Washington DC.
Herrmann argumenta que o NIF ainda pode ajudar, no entanto. Ele diz que os cientistas de armas nucleares estão constantemente extrapolando a partir de dados experimentais limitados enquanto avaliam suas simulações de computador. As informações coletadas de reações de fusão mais enérgicas no NIF, diz ele, permitirão que testem os modelos mais diretamente, com sorte reduzindo as incertezas e tornando mais fácil para o NNSA certificar que as armas no arsenal detonarão se necessário, e não antes.
Então, o que acontece a seguir para o NIF?
O teste final – se a equipe pode repetir o sucesso de 8 de agosto – pode vir já em outubro, dizem funcionários do laboratório. Enquanto isso, os cientistas correm para entender e publicar suas descobertas. Como a instalação está operando no limite científico do que é possível, mesmo pequenas variações na fabricação da cápsula alvo ou no ajuste dos lasers podem fazer com que o sistema produza mais ou menos energia do que o experimento anterior, diz Herrmann. “Não podemos fazer exatamente o mesmo experimento alvo, porque explodimos o alvo”, diz ele. Mas com o tempo, acrescenta ele, a equipe científica deve ser capaz de repetir e construir sobre esse sucesso – e levar a instalação ainda mais longe.
Publicado em 03/09/2021 22h02
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