Jonathan Tennenbaum – 1 de maio de 2020
Parte 5 do sonho de Hidrogênio-Boro: desenvolvimentos notáveis estão sendo feitos para alcançar a ignição Imagem de capa: Estrutura subnuclear do núcleo de um átomo de silício.
A fusão nuclear movida a laser sem dúvida tem o potencial de se tornar a fonte de energia nº 1 para a humanidade em um futuro previsível. Além de uma base de recursos essencialmente ilimitada, a razão fundamental reside nas densidades de energia incomparáveis que a fusão a laser pode gerar. O crescimento na densidade de potência tem sido uma característica do progresso tecnológico geral ao longo da história, correlacionando-se fortemente com aumentos na produtividade física real da sociedade.
Infelizmente, é extremamente difícil acender um “fogo de fusão” autossustentável. São necessárias temperaturas de centenas de milhões de graus para a reação de deutério-trítio e bilhões de graus para a reação de hidrogênio-boro livre de radioatividade (ver Parte 2: O raio da esperança da energia nuclear: fusão hidrogênio-boro ). Muito antes de atingir essas temperaturas, o combustível se transforma em plasma, às vezes chamado de “quarto estado da matéria”, capaz de comportamentos extremamente complicados.
A rigor, as temperaturas mencionadas acima se aplicam apenas à chamada fusão termonuclear, na qual as reações são produzidas por colisões aleatórias de núcleos voando em um meio aquecido. A fusão pode, de fato, ser alcançada mais facilmente em estados altamente desequilibrados (fora do equilíbrio térmico – nota do tradutor), onde o conceito de “temperatura” não mais se aplica. Em certo sentido, a abordagem de Heinrich Hora à fusão hidrogênio-boro, discutida a seguir, vai exatamente nessa direção.
(No que diz respeito à temperatura ambiente, a chamada “fusão a frio”, estou pessoalmente convencido de que alguns, pelo menos, dos fenômenos alegados são reais, embora possivelmente envolvendo processos nucleares diferentes da fusão, e não explicados adequadamente. Pode-se especular sobre as possíveis aplicações para a geração de calor. As densidades de potência são muitas ordens de magnitude abaixo das da fusão a laser.)
Voltando à fusão a laser convencional, a ignição e uma eficiente “queima” do combustível de fusão requerem não apenas as temperaturas mencionadas, mas também a compressão do combustível a densidades extremamente altas.
Uma analogia simples é o motor de combustão interna: a compressão pelo pistão cria as condições para uma combustão rápida, eficiente e completa do combustível. Caso contrário, ele iria queimar em um ritmo lento, gerando pouca ou nenhuma energia. A compressão também causa aquecimento. No motor diesel a compressão é tão grande que atinge a temperatura de ignição da mistura ar-combustível.
Os motores a diesel normalmente comprimem o ar de admissão por um fator de 15 a 20 vezes.
Em comparação, as compressões necessárias para a ignição por fusão a laser são cerca de 50 bilhões de vezes maiores. Que tipo de “pistão” seria capaz de criar tais pressões?
Até agora, um único cenário básico, conhecido como implosão ablativa ou de radiação, dominou a cena de fusão a laser e absorveu de longe a maior parte dos recursos financeiros (ver Parte 3: Energia nuclear: lições da bomba de hidrogênio ). Uma minúscula pelota esférica de combustível é bombardeada por todos os lados por pulsos de laser simultâneos (ou por raios-X, gerados a partir dos pulsos de laser). A camada externa da pelota é instantaneamente aquecida a altas temperaturas e se expande de forma explosiva (“ablação”). Essa expansão repentina exerce uma pressão tremenda sobre as camadas internas da pelota esférica, fazendo com que imploda e comprimindo o combustível a densidades superaltas. Aqui, as ondas de choque, geradas pela compressão e propagação em direção ao centro, desempenham um papel fundamental no processo de ignição subsequente.
Infelizmente, este cenário enfrenta muitas dificuldades. O principal problema é um fenômeno conhecido como instabilidade de Rayleigh-Taylor. No limite entre as camadas externa e interna, aparecem leves ondulações, que crescem rapidamente e atingem profundamente o alvo, interrompendo o processo de compressão e ignição. Apesar de muitos truques inteligentes e contramedidas caras, não foi possível controlar a instabilidade de Rayleigh-Taylor.
Deve haver uma maneira melhor!
Trabalhando para Westinghouse quando jovem em meados da década de 1960, o físico de plasma Heinrich Hora pode examinar centenas de fotografias de plasmas gerados por pulsos de laser que atingem alvos. Ele viu evidências claras de fenômenos que não se encaixavam nos modelos simplificados de interações laser-matéria, usados na maioria das pesquisas da época. Os cálculos de Hora para a equação do movimento do plasma gerado pelo laser revelaram, além da força de pressão gerada pelo aquecimento, um termo de força “não-térmica” – uma força derivada dos poderosos campos elétricos e magnéticos gerados pelo pulso do laser.
A presença de tais campos não é surpresa; afinal, a própria luz é composta de campos elétricos e magnéticos que variam rapidamente. Em poderosos pulsos de laser, no entanto, esses campos atingem tais intensidades, que seu efeito pode diferir drasticamente daquele da luz comum. Uma analogia muito grosseira: uma onda de água comum, faz com que os objetos simplesmente balancem para cima e para baixo quando passa. Em contraste, uma onda quebradora gera um poderoso movimento horizontal, que pode levar os surfistas para a frente. A transição de uma onda normal para um disjuntor é um efeito não linear típico. Outro exemplo de não linearidade, relevante para a fusão a laser, é a formação de uma onda de choque quando um meio é comprimido rapidamente, ou seja, por uma aeronave cruzando a chamada barreira do som.
Hora chamou o termo de força não linear adicional em suas equações de “força ponderomotriz”. Cálculos, junto com uma ampla variedade de resultados experimentais, sugeriram que a energia do laser poderia ser convertida com alta eficiência em movimento direcionado coerente de porções do plasma, em vez de simplesmente ser dissipada como calor.
Cálculos em 1978 indicaram que a eficiência pode até chegar a 99%, com os efeitos térmicos recuando para segundo plano.
Era natural para Hora considerar se esse efeito poderia ser explorado para iniciar a fusão nuclear, de maneiras diferentes e muito mais eficientes do que o esquema convencional de implosão ablativa.
Este foi o início de uma longa trilha que conduziu ao seu conceito atual de um reator de hidrogênio-boro.
Confirmação experimental
Parece que o trabalho de Hora na força ponderomotriz não gerou muito entusiasmo na comunidade de fusão a laser da linha principal. Uma razão pode ser a complexidade dos cálculos envolvidos, o que induz os físicos de plasma a simplificarem suas equações. Nesse contexto, é prática comum omitir termos que se espera tenham apenas um pequeno efeito na solução. Sob algumas condições físicas, entretanto, os “pequenos” efeitos podem repentinamente se tornar muito grandes.
Outra razão era que os pulsos de laser utilizados tendiam a ser muito longos, insuficientemente poderosos e não “limpos” o suficiente na forma para exibir os efeitos ponderomotores de uma forma suficientemente inegável.
Esta situação começou a mudar com o advento da amplificação de pulso chilreado e lasers de ultra-alta potência de pulso ultracurto (veja a Parte 4: A potência de fusão entra no mundo da ‘luz extrema’ ).
Em 1996, os cálculos de Hora encontraram uma confirmação experimental surpreendente em um experimento realizado pelo físico laser alemão Roland Sauerbrey em Göttingen. Sauerbrey irradiou um alvo de folha por um pulso de laser “excimer” [uma molécula instável que é formada em um estado excitado pela combinação de duas moléculas ou átomos menores e se dissocia rapidamente com a emissão de radiação. Essas espécies são utilizadas em alguns tipos de lasers – nota do tradutor] de menos de um trilionésimo de segundo (um picossegundo). Ele observou a formação de dois “blocos” de plasma, acelerados em direções opostas a altas velocidades – um em direção ao laser e outro na direção oposta. As acelerações medidas por Sauerbrey foram incrivelmente grandes: da ordem de 100 milhões de bilhões de vezes a aceleração da gravidade.
As acelerações encontradas por Sauerbrey são muitas ordens de magnitude maiores do que aquelas que poderiam ser produzidas apenas pela expansão do calor. Aqui, forças de natureza completamente diferente estão em jogo, forças que só podem ser explicadas pelos efeitos ponderomotores diretos do campo de laser. Em seu artigo de pesquisa, publicado na revista Physics of Plasmas, Sauerbrey observou:
“Os resultados demonstram que durante o pulso de laser de subpicosegundo curto, o movimento do plasma é, na verdade, dominado pela aceleração em vez de por uma velocidade de expansão constante. As acelerações medidas estão entre as mais altas que foram geradas em laboratório para objetos macroscópicos. ”
As medições concordaram em todos os aspectos com as previsões de Hora.
Os resultados de Sauerbrey não estão isolados. Em 2000, o físico húngaro de laser István Földes e seus colaboradores demonstraram acelerações semelhantes em experimentos com pulsos ultracurtos cuidadosamente ajustados. Em um trilionésimo de segundo, porções de plasma atingiram velocidades de mais de 100 quilômetros por segundo. Os cálculos de Hora indicaram que velocidades 100 vezes maiores poderiam ser alcançadas.
Será que esses blocos de plasma superacelerados podem nos dar o “pistão” de que precisamos para comprimir o combustível de fusão para a ignição? Uma possibilidade fascinante!
Frequentemente chamada por outros nomes, a força pondermotiva emergiu de um pequeno termo corretivo em uma equação matemática em um fenômeno físico bem estabelecido, tendo aplicações tecnológicas potencialmente revolucionárias. Além da fusão, as forças não lineares exercidas por pulsos de laser podem ser exploradas em aceleradores de partículas miniaturizados para uso na medicina, ciência e indústria. Um acelerador linear ou cíclotron enchendo um grande salão ou mesmo quilômetros de extensão pode em breve ser substituído por um dispositivo de mesa.
Mais rápido é mais simples
Enquanto isso, a partir do final da década de 1990, investigações experimentais do proeminente físico chinês Zhang Jie e outros estabeleceram clareza em um ponto-chave: a interação entre um pulso de laser e um alvo muda drasticamente quando a duração do pulso desce de nanossegundos (bilionésimos de segundo ) a picossegundos (trilionésimos de segundo) ou menos.
Em certo sentido, os fenômenos tornam-se muito mais simples.
Por quê? Como mencionei, a busca pela fusão a laser por ablação há muito é atormentada por instabilidades no movimento do plasma criado pelo pulso do laser, impedindo uma compressão efetiva do combustível.
No entanto, todo processo na natureza opera em uma certa escala de tempo. As instabilidades em questão levam um certo tempo para se desenvolver. Desde que possamos intervir em uma escala de tempo muito mais curta, não teremos que nos preocupar com eles.
Especificamente, a instabilidade insidiosa de Rayleigh-Taylor se desenvolve em uma escala de tempo de nanossegundos.
Em contraste, a formação e aceleração de blocos de plasma, demonstrada por Sauerbrey e outros, ocorre em uma escala de tempo de um picossegundo, mais de mil vezes mais curta.
A força ponderomotriz, evocada pelos campos elétricos e magnéticos dos pulsos de laser, faz seu trabalho muito antes que o aquecimento e as forças de pressão resultantes tenham tempo de se desenvolver. Mas precisamos de lasers de picossegundo ou femtossegundo para que isso aconteça. Os pulsos de nanossegundos, empregados pela National Ignition Facility em suas tentativas malsucedidas de conseguir a ignição pelo processo de implosão ablativa impulsionada pelo calor, eram longos demais.
Vale a pena citar o próprio Hora sobre o assunto:
“Demorou dezenas de anos para perceber a diferença básica entre a fusão de laser dominada pela termodinâmica com pulsos de nanossegundos em contraste com os processos não térmicos totalmente diferentes com a interação laser-plasma mil vezes mais curta de picossegundos. Para interação de nanossegundos … a energia do laser tem que ser termalizada para produzir … as pressões hidrodinâmica e gasodinâmica para ablação, compressão, aquecimento e reações termonucleares … Esses problemas podem ser reduzidos se os processos forem realizados em tempos muito curtos, como os mecanismos problemáticos não tem tempo suficiente para se desenvolver … Durante a interação, as forças dominantes não são de natureza termodinâmica, mas da eletrodinâmica não térmica dos campos de laser com o plasma. ”
– físico alemão de plasma Heinrich Hora
Surpresas agradáveis
Os resultados de Sauerbrey foram os primeiros de uma série de agradáveis surpresas, que aproximaram ainda mais o sonho da fusão hidrogênio-boro.
Hora deu um passo ousado para abandonar completamente o cenário de implosão esférica e tentar algo muito mais simples. Ele assumiu uma forma cilíndrica ; e, em vez de iluminar um alvo esférico por pulsos de laser simultâneos de todos os lados, Hora propôs simplesmente focar um único pulso de laser de ultra-alta potência em uma extremidade do cilindro. A ignição seria alcançada com a ajuda de um único “pistão” de bloco de plasma, impulsionado pela força ponderomotriz na maior parte do combustível.
Cálculos extensivos, publicados entre 2009 e 2010, mostraram que as condições para a ignição de um combustível hidrogênio-boro são muito, muito mais fáceis de cumprir com a geometria cilíndrica. Na verdade, não é muito mais difícil do que a reação deutério-trítio. Foi uma surpresa muito agradável.
Nesse ínterim, experimentos da vida real demonstraram a geração de reações de hidrogênio-boro por lasers de pulso ultracurto. A quantidade de reações cresceu aos rapidamente à medida que as intensidades do laser e as qualidades do pulso do laser melhoravam. A análise dos resultados provou que as reações foram desencadeadas por mecanismos não térmicos, ao invés de calor.
Em 2005, o grupo de Belyaev em Moscou conseguiu pela primeira vez desencadear reações de hidrogênio-boro por um pulso de laser intenso de picossegundo atingindo um alvo de polímero rico em boro. 100.000 partículas alfa foram detectadas como produtos da reação hidrogênio-boro.
Em 2014, experimentos análogos, realizados nas instalações do Prague Asterix Laser System (PALS), na República Tcheca, produziram vários milhões de partículas alfa por injeção.
Posteriormente, um esforço sustentado pelo grupo PALS para otimizar as características do alvo e do pulso de laser elevou o número para um bilhão de partículas alfa por tiro. Finalmente, no início deste ano, uma equipe científica internacional da República Tcheca e da Polônia fez um anúncio com o título “Fusão próton-boro movida a laser: Um caminho para a energia nuclear sem radiação?” anunciando um rendimento de 100 bilhões de alfas e lançando um apelo à ação:
“Seguindo uma experiência recente no Sistema Laser Asterix Praga (PALS), República Checa, relata-se um rendimento de 10 ficha 11 partículas alfa, conseguido através da concentração de um sub-nanossegundo, 600 J feixe de laser sobre um nitreto de boro alvo de espessura. … Mostramos que uma figura tão surpreendente não é de natureza termonuclear. É bastante explicável em termos de um esquema de fusão conduzido por feixe … O rendimento da reação alcançado desta forma é 100 vezes maior do que o alcançado na mesma instalação em 2014 e preludia um aumento adicional de 10 vezes por otimização direta do alvo. Nossas descobertas, previsões teóricas recentes e o advento de capacidades de laser dramaticamente aprimoradas exigem uma investigação urgente e sistemática de possíveis esquemas de ignição na fusão próton-boro conduzida por laser. ” [ link ]
No artigo seguinte, descreverei o projeto de Heinrich Hora para uma usina de hidrogênio-boro.
Jonathan Tennenbaum recebeu seu PhD em matemática pela Universidade da Califórnia em 1973 aos 22 anos. Também físico, lingüista e pianista, ele é um ex-editor da revista FUSION. Ele mora em Berlim e viaja com frequência para a Ásia e outros lugares, como consultor em economia, ciência e tecnologia.
Fonte: https://asiatimes.com/2020/05/lighting-the-nuclear-fusion-fire/
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