Pesquisadores do US National Ignition Facility criaram uma reação que produziu mais energia do que eles colocaram.
Cientistas da maior instalação de fusão nuclear do mundo alcançaram pela primeira vez o fenômeno conhecido como ignição – criando uma reação nuclear que gera mais energia do que consome. A notícia da descoberta no US National Ignition Facility (NIF), feita em 5 de dezembro e anunciada hoje pelo governo do presidente dos EUA, Joe Biden, empolgou a comunidade global de pesquisa de fusão. Essa pesquisa visa aproveitar a fusão nuclear – o fenômeno que alimenta o Sol – para fornecer uma fonte de energia limpa quase ilimitada na Terra. Os pesquisadores alertam que, apesar desse último sucesso, ainda há um longo caminho para atingir esse objetivo.
“É uma conquista incrível”, diz Mark Herrmann, vice-diretor do programa de física de armas fundamentais do Lawrence Livermore National Laboratory, na Califórnia, que abriga o laboratório de fusão. O experimento histórico segue anos de trabalho de várias equipes em tudo, desde lasers e óptica até alvos e modelos de computador, diz Herrmann. “É claro que é isso que estamos comemorando.”
Uma instalação experimental emblemática do programa de armas nucleares do Departamento de Energia dos EUA, projetada para estudar explosões termonucleares, o NIF originalmente pretendia atingir a ignição até 2012 e enfrentou críticas por atrasos e custos excessivos. Em agosto de 2021, os cientistas do NIF anunciaram que haviam usado seu dispositivo a laser de alta potência para obter uma reação recorde que ultrapassou um limite fundamental para alcançar a ignição, mas os esforços para replicar esse experimento falharam. No final das contas, os cientistas descartaram os esforços para replicar essa foto e repensaram o design experimental – uma escolha que valeu a pena na semana passada.
“Muitas pessoas achavam que não era possível, mas eu e outros que mantivemos a fé nos sentimos um pouco justificados”, diz Michael Campbell, ex-diretor do laboratório de energia a laser da Universidade de Rochester em Nova York e um proponente inicial do NIF enquanto estava no laboratório Lawrence Livermore. “Estou tendo um cosmo para comemorar.”
A Nature analisa o último experimento do NIF e o que isso significa para a ciência da fusão.
O que o NIF conseguiu?
A instalação usou seu conjunto de 192 lasers para fornecer 2,05 megajoules de energia a um cilindro de ouro do tamanho de uma ervilha contendo uma pastilha congelada dos isótopos de hidrogênio deutério e trítio. O pulso de energia do laser causou o colapso da cápsula, atingindo temperaturas vistas apenas em estrelas e armas termonucleares, e os isótopos de hidrogênio se fundiram em hélio, liberando energia adicional e criando uma cascata de reações de fusão. A análise do laboratório sugere que a reação liberou cerca de 3,15 MJ de energia – cerca de 54% a mais do que a reação e mais que o dobro do recorde anterior de 1,3 MJ.
“A pesquisa sobre fusão ocorre desde o início dos anos 1950, e esta é a primeira vez em laboratório que a fusão produz mais energia do que consome”, diz Campbell.
No entanto, embora as reações de fusão tenham produzido mais de 3 MJ de energia – mais do que foi entregue ao alvo – os lasers do NIF consumiram 322 MJ de energia no processo. Ainda assim, o experimento se qualifica como ignição, um critério de referência para reações de fusão.
“É um grande marco, mas o NIF não é um dispositivo de energia de fusão”, diz David Hammer, engenheiro de energia nuclear da Cornell University em Ithaca, Nova York.
Herrmann reconhece isso, dizendo que há muitos passos no caminho para a energia de fusão a laser. “O NIF não foi projetado para ser eficiente”, diz ele. “Ele foi projetado para ser o maior laser que poderíamos construir para nos fornecer os dados de que precisamos para o programa de pesquisa de estoque [nuclear].”
Os cientistas do NIF fizeram várias mudanças antes do último tiro a laser, com base em parte na análise e modelagem de experimentos anteriores. Além de aumentar a potência do laser em cerca de 8%, os cientistas reduziram o número de imperfeições no alvo e ajustaram a forma como entregavam a energia do laser para criar uma implosão mais esférica. Operando no limite da ignição por fusão, os cientistas sabiam que “pequenas mudanças podem fazer uma grande diferença”, diz Herrmann.
Por que esses resultados são significativos?
Em um nível, trata-se de provar o que é possível, e muitos cientistas saudaram o resultado como um marco na ciência da fusão. Mas os resultados têm um significado especial no NIF: a instalação foi projetada para ajudar os cientistas de armas nucleares a estudar o calor intenso e as pressões dentro das explosões, e isso só é possível se o laboratório produzir reações de fusão de alto rendimento.
Demorou mais de uma década, “mas eles podem ser elogiados por atingirem seu objetivo”, diz Stephen Bodner, um físico que anteriormente chefiou a divisão de plasma a laser do US Naval Research Laboratory em Washington DC. Bodner diz que a grande questão agora é o que o Departamento de Energia fará a seguir: dobrar a pesquisa de armas no NIF ou mudar para um programa de laser voltado para a pesquisa de energia de fusão.
O que isso significa para a energia de fusão?
Os resultados mais recentes já renovaram o burburinho sobre um futuro alimentado por energia de fusão limpa, mas especialistas alertam que há um longo caminho pela frente.
O NIF não foi projetado com a energia de fusão comercial em mente – e muitos pesquisadores duvidam que a fusão a laser seja a abordagem que finalmente produzirá energia de fusão. No entanto, Campbell acredita que seu mais recente sucesso pode aumentar a confiança na promessa de poder de fusão a laser e estimular um programa focado em aplicações de energia. “Isso é absolutamente necessário para ter credibilidade para vender um programa de energia”, diz ele.
O diretor do Lawrence Livermore National Laboratory, Kim Budil, descreveu a conquista como uma prova de conceito. “Não quero dar a sensação de que vamos conectar o NIF à rede: definitivamente não é assim que funciona”, disse ela durante uma coletiva de imprensa em Washington DC. “Mas este é o bloco de construção fundamental de um esquema de energia de fusão de confinamento inercial.”
Existem muitos outros experimentos em todo o mundo que estão tentando alcançar a fusão para aplicações de energia usando diferentes abordagens. Mas os desafios de engenharia permanecem, incluindo o projeto e a construção de usinas que extraem o calor produzido pela fusão e o utilizam para gerar quantidades significativas de energia a serem transformadas em eletricidade utilizável.
“Embora seja uma notícia positiva, esse resultado ainda está muito longe do ganho real de energia necessário para a produção de eletricidade”, disse Tony Roulstone, pesquisador de energia nuclear da Universidade de Cambridge, no Reino Unido, em comunicado ao Science Media Center. em Londres.
Ainda assim, “os experimentos NIF focados na energia de fusão são absolutamente valiosos no caminho para a energia de fusão comercial”, diz Anne White, física de plasma do Instituto de Tecnologia de Massachusetts em Cambridge.
Quais são os próximos grandes marcos na fusão?
Para demonstrar que o tipo de fusão estudado no NIF pode ser uma forma viável de produzir energia, a eficiência do rendimento – a energia liberada em comparação com a energia que vai produzir os pulsos de laser – precisa crescer pelo menos duas ordens de grandeza.
Os pesquisadores também precisarão aumentar drasticamente a taxa na qual os pulsos do laser podem ser produzidos e a rapidez com que podem limpar a câmara-alvo para se preparar para outra queima, diz Tim Luce, chefe de ciência e operação do reator internacional de fusão nuclear ITER, que está em construção em St-Paul-lès-Durance, França.
“Eventos suficientes de produção de energia de fusão em desempenho repetido seriam um marco importante de interesse”, diz White.
O projeto ITER de US$ 22 bilhões – uma colaboração entre China, União Europeia, Reino Unido, Índia, Japão, Coreia do Sul, Rússia e Estados Unidos – visa alcançar a fusão autossustentável, o que significa que a energia da fusão produz mais fusão, através de uma técnica diferente da abordagem de ‘confinamento inercial’ do NIF. O ITER manterá um plasma de deutério e trítio confinado em uma câmara de vácuo em forma de rosquinha, conhecida como tokamak, e o aquecerá até que os núcleos se fundam. Assim que o reator começar a trabalhar para a fusão, atualmente prevista para 2035, terá como objetivo atingir o estágio de ‘queima’, “onde o poder de autoaquecimento é a fonte dominante de aquecimento”, explica Luce.
O que isso significa para outros experimentos de fusão?
O NIF e o ITER usam apenas dois dos muitos conceitos de tecnologia de fusão desenvolvidos em todo o mundo. As abordagens incluem o confinamento magnético do plasma, usando tokamaks e dispositivos chamados stellarators – confinamento inercial, usado pelo NIF, e um híbrido.
A tecnologia necessária para gerar eletricidade a partir da fusão é amplamente independente do conceito, diz White, e este último marco não levará necessariamente os pesquisadores a abandonar ou consolidar seus conceitos.
Os desafios de engenharia enfrentados pelo NIF são diferentes dos do ITER e de outras instalações. Mas a conquista simbólica pode ter efeitos generalizados. “Um resultado como esse aumentará o interesse no progresso de todos os tipos de fusão, por isso deve ter um impacto positivo na pesquisa de fusão em geral”, diz Luce.
Publicado em 19/12/2022 14h52
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