Pela primeira vez, os físicos desencadearam uma reação de fusão nuclear controlada que liberou mais energia do que foi colocado no experimento.
O tiro a laser ocorreu em 5 de dezembro no National Ignition Facility do Departamento de Energia dos EUA no Lawrence Livermore National Laboratory, na Califórnia. O fato de haver um ganho líquido de energia qualificou o tiro, em termos técnicos, como ignição. “Alcançar a ignição em um experimento de fusão controlada é uma conquista que ocorreu após mais de 60 anos de pesquisa, desenvolvimento, engenharia e experimentação globais”, disse Jill Hruby, subsecretária de energia para segurança nuclear e administradora da Administração Nacional de Segurança Nuclear.
No entanto, as autoridades reconheceram que ainda é provável que demore décadas até que a energia de fusão comercial se torne uma realidade. Eles disseram que o impacto mais imediato do avanço será sentido no campo da segurança nacional e na administração do estoque de armas nucleares dos Estados Unidos.
Se a energia da fusão nuclear puder ser aproveitada, isso poderá abrir uma nova era de energia mais limpa e abundante. Um dos potenciais combustíveis para fusão é o deutério, um isótopo de hidrogênio que pode ser extraído da água do mar.
A fusão aproveita a mesma reação que ilumina o sol. Ao contrário da fissão nuclear, que envolve o decaimento de elementos radioativos pesados, a fusão esmaga elementos mais leves com tanta força que parte da massa do combustível é convertida em energia de acordo com a famosa equação E=mc2 de Albert Einstein.
Pesquisadores de todo o mundo têm trabalhado para maximizar a eficiência das reações de fusão no laboratório. O maior projeto é o experimento internacional ITER na França, que usará um gigantesco dispositivo de confinamento magnético conhecido como tokamak. A National Ignition Facility usa uma abordagem diferente, que concentra uma explosão de 192 lasers de alta potência em uma pequena cápsula contendo um alvo de deutério-trítio que é menor do que uma pastilha BB.
A equipe do NIF tenta obter a ignição há anos, mas tem sido extremamente difícil criar o chumbinho alvo e a geometria da explosão do laser para produzir as pressões e temperaturas necessárias para a fusão. Mark Herrmann, diretor do programa de física e design de armas no Livermore Lab, comparou o esforço a uma corrida entre aquecer o alvo e perder esse calor devido a pequenos defeitos no design.
“Por muitas, muitas décadas, perdemos a corrida”, disse Herrmann.
Graças em parte às ferramentas de machine learning, o design foi aprimorado nos últimos meses. À 1h03 do dia 5 de dezembro, um disparo de laser colocou 2,05 megajoules de energia no experimento – e recuperou 3,15 megajoules de energia de fusão produtora de nêutrons. “Um ganho de 1,5”, disse Marv Adams, vice-administrador da NNSA para programas de defesa.
Tammy Ma, que lidera a Iniciativa Institucional de Energia de Fusão Inercial do Livermore Lab, disse que “caiu em prantos” quando soube do tiro bem-sucedido.
A secretária de Energia, Jennifer Granholm, disse que a conquista “ficaria nos livros de história”.
“Este marco nos move um passo significativo mais perto de energia livre de carbono abundante alimentando nossa sociedade”, disse ela.
A comunidade mais ampla de pesquisa de fusão também elogiou o avanço. “O anúncio de hoje mostra ao mundo que a fusão não é ficção científica: em breve será uma fonte viável de energia”, disse Andrew Holland, CEO da Fusion Industry Association, em um comunicado à imprensa. “Ainda há muitos passos entre esses resultados experimentais e as usinas de fusão, mas este é um marco importante para a fusão.”
David Kirtley – o CEO da Helion Energy, uma empresa comercial de fusão com sede em Everett, Washington – disse que alcançar a ignição é “um grande negócio para a ciência da fusão”.
“Embora na National Ignition Facility eles não estivessem focados na energia comercial, na Helion acreditamos que isso abre caminho para que as empresas privadas agora se concentrem e aumentem a velocidade no fornecimento de energia comercial à rede”, disse Kirtley.
Os pesquisadores por trás do experimento não minimizaram os desafios. Embora o próprio disparo de laser tenha registrado um ganho líquido de energia, o diretor do Livermore Lab, Kim Budil, apontou que a energia elétrica total necessária “da parede” para suportar o experimento foi de 300 megajoules – cerca de 100 vezes a quantidade de energia de fusão produzida.
“Nosso cálculo sugere que é possível com um sistema de laser em escala atingir centenas de megajoules de rendimento, então há um caminho para um alvo que produz rendimento suficiente”, disse Budil. “Mas estamos muito distantes disso agora.”
Além disso, a National Ignition Facility foi projetada para disparar um laser apenas uma vez por dia, mas uma usina de energia teria que produzir energia continuamente. (E pelo que vale a pena, um quilowatt-hora de energia é equivalente a 3,6 megajoules.)
“Algumas décadas de pesquisa sobre as tecnologias subjacentes podem nos colocar em posição de construir uma usina de energia”, disse Budil.
Michael Mann, um cientista climático da Universidade da Pensilvânia, alertou contra ficar muito animado com o anúncio de hoje. “Eu ficaria mais animado com um anúncio de que os EUA estão encerrando os subsídios aos combustíveis fósseis”, disse Mann em uma série de tweets. “Isso não significa que não seja uma boa notícia, mas significa que não desempenhará um papel significativo na descarbonização de nossa economia em 50% nesta década, o que é necessário para evitar um aquecimento catastrófico > 1,5°C (3F). ”
Concentrar-se nas fontes existentes de energia renovável e melhorar as tecnologias de armazenamento, eficiência e conservação de energia são estratégias mais realistas para lidar com o desafio climático na próxima década, disse Mann.
Além de promover a causa da energia limpa, a ignição contribui para a missão de segurança nacional da NNSA, disse Adams.
“Primeiro, levará a experimentos de laboratório que ajudarão os programas de defesa da NNSA a continuar a manter a confiança em nossa dissuasão sem testes de explosivos nucleares”, disse Adams. “Em segundo lugar, sustenta a credibilidade de nosso dissuasor ao demonstrar experiência de liderança mundial em tecnologias relevantes para armas. Ou seja, sabemos o que estamos fazendo.”
Kirtley, da Helion Energy, que conduziu pesquisas sobre sistemas de propulsão a plasma antes de voltar seu foco para a energia de fusão comercial, disse que o avanço também pode ter implicações fora da Terra.
“Curiosamente, acho que isso é ainda mais aplicável para aplicações de propulsão espacial de fusão do que para geração comercial de eletricidade”, disse ele. “O método inercial pulsado que a National Ignition Facility está fazendo é um tipo de sistema de ignição de alto ganho para geração de eletricidade. A Helion está focada em geradores de pequena escala realmente eficientes, mas no espaço, a aplicação inercial com alto ganho e alto rendimento de energia é realmente um dos principais objetivos.”
Michael Eades, engenheiro-chefe da Ultra Safe Nuclear Technologies, com sede em Seattle, disse que a propulsão de pulso nuclear está mais distante do que os sistemas que são o foco da pesquisa de sua empresa. No entanto, ele disse que alcançar a ignição é um desenvolvimento bem-vindo. “Estamos entusiasmados com a notícia do ganho de energia e vemos isso como uma possibilidade de missões futuras – talvez além do sistema solar”, disse Eades.
Publicado em 18/12/2022 20h09
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