Jonathan Tennenbaum – 6 de maio de 2020
Parte 6 do sonho de Hidrogênio-Boro: O físico australiano de plasma Heinrich Hora acredita que um reator de fusão pode ser construído por US $ 100 milhões. Imagem de capa: Estrutura subnuclear do núcleo de um átomo de silício.
Neste artigo, Jonathan Tennenbaum constrói – conceitualmente – um reator de fusão hidrogênio-boro semelhante ao proposto pelo físico australiano de plasma Heinrich Hora.
A abordagem de Hora é uma de muitas – em vários estágios de desenvolvimento – propostas para alcançar a energia de fusão nuclear. Não pretendo endossar uma ideia em vez de outra, mas escrever sobre o conceito extremamente promissor de Hora é uma excelente maneira de familiarizar os leitores com algumas das áreas mais interessantes da ciência e tecnologia da atualidade.
O ideal é que os leitores estejam familiarizados com os artigos anteriores desta série e com as seguintes peças do quebra-cabeça:
1. A reação entre um núcleo de hidrogênio e um de boro produz três núcleos de hélio (partículas alfa), que escapam do cenário da reação em altas velocidades. O fato de as partículas alfa serem partículas carregadas – cada uma carregando duas unidades de carga positiva – oferece a possibilidade de converter sua energia de movimento diretamente em energia elétrica. (Parte 2: O raio da esperança da energia nuclear: fusão hidrogênio-boro )
2. A enorme dificuldade de se conseguir a fusão hidrogênio-boro. Se o calor for usado, as temperaturas exigidas ficam na faixa de bilhões de graus; a probabilidade da reação (a “seção transversal” da reação) é baixa; densidades extremamente altas (ou tempos de confinamento muito longos) são necessárias para inflamar o combustível hidrogênio-boro e obter um grau suficiente de “queima”.(Parte 2: O raio da esperança da energia nuclear: fusão hidrogênio-boro )
3. Use lasers para disparar “microexplosões” de minúsculas pelotas de combustível de hidrogênio-boro. Uma usina de hidrogênio-boro funcionará em regime de pulsação, gerando uma microexplosão por segundo (ou vários segundos) em uma câmara de explosão equipada para extrair energia elétrica das explosões resultantes de partículas alfa, desacelerando-as em um campo elétrico.
4. Lições aprendidas em meio século de tentativas de realizar o poder de fusão por meio de “microexplosões” disparadas por laser, seguindo um paradigma herdado do desenvolvimento da primeira bomba de hidrogênio. Essa abordagem envolve a compressão e o aquecimento de uma pelota esférica de combustível, atingindo-a de todas as direções por pulsos de laser simultâneos. Infelizmente, as instabilidades tendem a se desenvolver no plasma criado quando o combustível é aquecido, interferindo no processo de compressão e ignição (Parte 3: Energia nuclear: lições da bomba de hidrogênio).
5. Uma abordagem é “flanquear” as instabilidades operando em escalas de tempo que são muito mais curtas do que o tempo necessário para o desenvolvimento de um mau comportamento.
6. Previsões teóricas e indicações experimentais da existência de forças “ponderomotoras” (aceleradoras) geradas no material alvo sob a ação de impulsos intensos de luz laser, cujos efeitos diferem radicalmente daqueles causados apenas pelo aquecimento. Quanto mais curtos e “limpos” os pulsos de laser, mais essas forças ponderomotoras dominam a cena em relação aos efeitos térmicos. Cálculos que prevêem que, sob condições apropriadas, pulsos de laser ultracurtos e de potência ultracurta irão acelerar “blocos” macroscópicos de plasma a velocidades enormes. (Parte 5: Acendendo a fusão nuclear)
8. Em 1985, a invenção da amplificação de pulso chirped (CPA – Chirped Pulse Amplification), permitiu que os pulsos de laser fossem amplificados para potências enormes. Lasers foram então desenvolvidos com potências na faixa de petawatts (um milhão de bilhões de watts) e comprimentos de pulso entre um picossegundo e um femtossegundo. (Parte 4: O poder de fusão entra no mundo da ‘luz extrema’)
9. Confirmação experimental, em 1996, do fenômeno da “aceleração do bloqueio de plasma” em 1996, confirmada novamente em experimentos posteriores. (Parte 5)
10. Cálculos indicando que a ignição da fusão de hidrogênio e boro poderia ser obtida muito mais facilmente com uma configuração cilíndrica usando um único pulso de laser focado em uma extremidade de uma pelota de combustível cilíndrica do que o método clássico de implosão esférica. O bloco de plasma acelerado a velocidades tremendas no material combustível atua como um pistão de compressão, bem como – de fato – um feixe de partículas neutralizado, com um milhão de vezes as densidades de corrente alcançadas com aceleradores de partículas convencionais. (Parte 5: Acendendo a fusão nuclear)
11. A geração experimental bem-sucedida de um grande número (bilhões ou mais) de reações de hidrogênio-boro ocorreu pela irradiação de um alvo de combustível com um único pulso de laser de alta potência. (Parte 5: Acendendo a fusão nuclear)
Emprestando da fusão de confinamento magnético
Falta mais um elemento essencial antes de prosseguirmos com o reator protótipo de hidrogênio-boro.
A configuração proposta, com uma pelota de combustível cilíndrica atingida por um único pulso de laser, tem um sério ponto fraco: nada impede que o combustível se expanda radialmente para fora durante o processo de ignição. Isso faria com que a densidade do combustível diminuísse, evitando uma queima efetiva do combustível. Podemos obter um “chiado” em vez de uma microexplosão completa.
Para resolver esse problema, Hora toma emprestado um princípio básico da chamada fusão de confinamento magnético – o grande competidor da fusão a laser. Um campo magnético suficientemente poderoso, direcionado paralelamente ao eixo do cilindro, pode neutralizar a tendência de expansão do combustível em chamas, confinando-o pelo curto instante necessário para que a onda de queima de fusão se propague por todo o caminho até a extremidade do cilindro.
A fusão por confinamento magnético explora o fato de que as partículas carregadas, quando se movem em um campo magnético poderoso, sofrem forças que as fazem espiralar em torno das linhas do campo magnético. O plasma fica assim preso no campo magnético.
Na realidade, a situação é complicada – como de costume no campo da física do plasma – pelo fato de que os plasmas geram seus próprios campos magnéticos e podem derrotar as tentativas de contê-los em “garrafas magnéticas” impostas externamente.
Diante de tal mau comportamento, a busca da fusão de confinamento magnético empurrou os pesquisadores para intensidades de campo magnético cada vez maiores. O gigantesco Reator Termonuclear Experimental Internacional (International Thermonuclear Experimental Reactor – ITER), em construção em Cadarache, França, requer 10.000 toneladas de ímãs supercondutores gigantes para confinar seu plasma em uma câmara toroidal de raio de seis metros.
Os ímãs do ITER são projetados para gerar intensidades de campo magnético de 10-12 Tesla – cerca de seis vezes a intensidade dos campos empregados pelas máquinas de imagem por ressonância magnética nuclear (Magnetic Resonance Imaging – MRI) usadas por hospitais.
Em contraste, o confinamento radial do cilindro de combustível em chamas no reator proposto por Hora exigirá campos magnéticos de mais de 1.000 Tesla, cem vezes mais forte do que o ITER, embora em um volume extremamente pequeno. Isso, pelo menos, é o que os cálculos mostram.
Como produzir campos magnéticos superaltos?
Em 2012, o grupo de pesquisa de Shinsuke Fujioka no Instituto de Engenharia de Laser de Osaka, Japão, conseguiu gerar campos de intensidade ainda maior com um método simples de pulsos de laser. Para isso, eles usaram o laser Gekko XII, construído para realizar experimentos de fusão a laser. O laser produziu um pulso curto (um nanossegundo) com uma potência de aproximadamente 10 trilhões de watts.
A configuração de Fujioka consiste em duas placas de metal paralelas conectadas por um pedaço de fio em forma de laço. Uma das placas possui um pequeno orifício circular, através do qual o pulso de laser pode iluminar uma pequena área na superfície oposta da segunda placa. Veja o diagrama abaixo. (Dois loops são usados em vez de um, e o pellet de combustível é adicionado).
Quando o intenso pulso de laser Gekko atinge a placa inferior, ele imediatamente transforma as camadas externas do metal em um plasma. Os elétrons são arrancados dos núcleos e rapidamente acelerados a velocidades próximas à velocidade da luz (os chamados “elétrons quentes”).
Um grande número desses elétrons voa pela lacuna entre as placas do capacitor e pousa na placa superior, dando a ela uma alta carga negativa. Por um breve momento, os núcleos carregados positivamente – que são muito mais massivos do que os elétrons e muito mais lentos para responder – são deixados para trás.
Uma enorme diferença de potencial elétrico se forma entre as placas superior e inferior. Isso impulsiona a corrente elétrica pelo fio. O loop no fio atua como uma bobina de uma única volta, gerando um pulso de campo magnético superintenso. Os pesquisadores japoneses mediram intensidades de campo de 1.500 Tesla, mais do que o suficiente para os requisitos de Hora.
É hora de ‘construir’ um reator de fusão de hidrogênio-boro
(Novamente, estou falando de um projeto conceitual, nada mais, nos moldes da proposta de Hora que eu entendo. Os leitores interessados podem consultar seu pedido de patente nos Estados Unidos , concedido em setembro de 2019.)
O reator produz energia na forma de microexplosões regularmente repetidas dentro de uma câmara de explosão. A taxa de “tiros” pode ser de cerca de um por segundo para uma versão comercial, mais longa para o protótipo.
Cada microexplosão rende cerca de um gigajoule de energia, equivalente a 280 kWh. Com um “disparo” por segundo, isso geraria uma potência bruta média de 1 GW. Assumindo uma alta eficiência de conversão (veja abaixo), obteríamos uma produção de energia elétrica comparável às modernas usinas nucleares. Um protótipo presumivelmente teria taxas de pulso mais lentas e uma saída de energia correspondentemente mais baixa.
O combustível para as microexplosões vem na forma de cilindros longos e finos, com aproximadamente 0,2 milímetros de diâmetro e um centímetro de comprimento, cada um contendo aproximadamente 14 miligramas de hidrogênio e boro. O cilindro de combustível é suspenso em um pequeno conjunto com duas placas de capacitor conectadas por dois circuitos condutores, conforme mostrado no diagrama. Sua finalidade é gerar um poderoso campo magnético paralelo ao eixo cilíndrico, no momento de ignição da micro explosão, da forma demonstrada por Fujioka et al.
Cada microexplosão é gerada usando um par de pulsos ultracurtos precisamente sincronizados e quase simultâneos de dois lasers (presumivelmente combinados em um único sistema).
O pulso do Laser 1 (veja o diagrama acima) gera um poderoso campo magnético de 1.000 Tesla paralelo ao eixo do cilindro. O pulso do Laser 2, focado em uma extremidade do cilindro de combustível, inflama as reações de hidrogênio-boro e desencadeia uma “onda de queima” que se propaga para a extremidade oposta. O campo magnético garante que o plasma não se expanda muito até que a queima seja concluída.
A câmara de explosão, mantida em alto vácuo, tem cerca de um metro de diâmetro e foi projetada para suportar a força das microexplosões, cada uma correspondendo a cerca de cinco gramas de TNT. A câmara possui portas para a entrada dos dois feixes de laser e para a troca de conjuntos de combustível usado e novo. Ele é conectado ao sistema de alta tensão usado para extrair a energia das partículas alfa.
A produção de energia elétrica a partir das microexplosões de hidrogênio-boro é, em princípio, relativamente simples. A chuva de partículas alfa com carga positiva emitida por uma microexplosão no centro da câmara gera um poderoso pulso de corrente, que pode ser captado com tecnologia já bem desenvolvida no contexto de sistemas de transmissão de energia elétrica DC de ultra-alta tensão. O pulso DC é então transformado em corrente alternada.
Quanto vai custar?
Hora estima que um protótipo funcional de seu reator de hidrogênio-boro poderia ser construído por cerca de US $ 100 milhões. Embora admita que o custo soa quase suspeito, o maior custo seria um sistema de laser semelhante aos já em operação em vários laboratórios. Essas instalações já têm a potência aproximada e a duração do pulso exigidas por Hora.
A Gekko XII do Japão é uma dessas instalações. Outra operação adequada para ignição de combustível é o PETawatt Aquitaine Laser (PETAL) em Bordeaux, França. Esta instalação entrou em serviço em 2015 e custou cerca de US $ 55 milhões para construir.
O custo de um reator feito sob medida pode ser consideravelmente menor, uma vez que PETAL é uma instalação única, projetada para atender a uma variedade de aplicações diferentes.
Resta um problema importante a ser resolvido: Gekko XII e PETAL precisam de um tempo considerável entre os pulsos – uma hora ou mais. Atingir taxas de repetição de pulso mais altas para tais sistemas de laser é um desafio tecnológico significativo – que já é o foco de muitas pesquisas internacionais para diversas aplicações.
Será que vai dar certo?
Neste ponto, as perspectivas parecem boas. No entanto, como frisa Hora, uma série de questões precisam ser resolvidas para garantir que não haja barreiras imprevistas e para obter parâmetros mais precisos para o projeto do reator. Felizmente, as investigações experimentais e computacionais necessárias não requerem investimento em novas instalações e know-how. Ambos já estão disponíveis em laboratórios de todo o mundo. Isso reduz muito o custo e o risco na preparação para a construção do primeiro protótipo. Uma das prioridades da empresa de Hora, a HB11 Energy, é arrecadar os recursos necessários e distribuir tarefas a grupos de pesquisa adequados.
Se tudo isso der certo, poderemos estar nos aproximando de uma era de ouro de produção de eletricidade econômica.
No próximo capítulo de conclusão, o físico australiano de plasma Heinrich Hora compartilhará suas ideias em uma entrevista.
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/how-to-build-a-hydrogen-boron-fusion-reactor/
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