Depois de não terem conseguido reproduzir o disparo recorde de energia de fusão do ano passado, os cientistas da Instalação Nacional de Ignição dos EUA voltaram à prancheta. Edwin Cartlidge discute seus próximos passos
Um tiro recorde na Instalação Nacional de Ignição em 2021, que rendeu 1.37 MJ, não foi reproduzido. (Cortesia: LLNL)
Em 8 de agosto do ano passado, físicos do Laboratório Nacional Lawrence Livermore, nos EUA, usaram o maior laser do mundo para realizar uma experiência recorde. Empregando as 192 vigas dos US$ 3.5 bilhões Instalação Nacional de Ignição (NIF) para implodir uma cápsula do tamanho de um grão de pimenta contendo deutério e trítio, eles causaram a fusão dos dois isótopos de hidrogênio, gerando uma reação de fusão autossustentável por uma fração de segundo. Com o processo a libertar mais de 70% da energia utilizada para alimentar o laser, a descoberta sugeriu que os lasers gigantes ainda poderiam permitir uma nova fonte de energia segura, limpa e essencialmente ilimitada.
O resultado deixou os pesquisadores do laboratório Livermore em clima de comemoração, tendo lutado por mais de uma década para fazer progressos significativos. Mas a excitação inicial rapidamente desapareceu quando várias tentativas subsequentes de reproduzir o feito falharam – reunindo, na melhor das hipóteses, apenas metade da produção recorde. Como a administração da Livermore decidiu tentar apenas alguns experimentos repetidos, o laboratório suspendeu sua busca pelo ponto de equilíbrio e, em vez disso, tentou descobrir o que estava causando a variação na produção.
Para os críticos do NIF, a última correcção de curso não foi nenhuma surpresa, aparentemente ilustrando mais uma vez a inadequação da instalação como banco de testes para a produção robusta de energia de fusão. Mas muitos cientistas continuam optimistas e os próprios investigadores do NIF saíram em luta, publicando recentemente o resultado da sua fotografia recorde em Physical Review Letters (129 075001). Eles insistem que, afinal, alcançaram a “ignição”, atingindo o ponto em que o aquecimento das reações de fusão supera o resfriamento, criando um ciclo de feedback positivo que aumenta rapidamente a temperatura plasmática.
Omar Hurricane, cientista-chefe do programa de fusão de Livermore, afirma que esta definição de ignição baseada na física – em vez da simples descrição do “ponto de equilíbrio energético” – é a que realmente conta. Descrevendo o eventual alcance do ponto de equilíbrio como “o próximo evento de relações públicas”, ele afirma, no entanto, que continua a ser um marco importante que ele e os seus colegas pretendem alcançar. Na verdade, os físicos de fora do laboratório de Livermore estão confiantes de que o tão discutido alvo será atingido. Steven Rosa do Imperial College, no Reino Unido, acredita que “há todas as perspectivas” de que o ponto de equilíbrio seja alcançado.
Ganho recorde
A tentativa de aproveitar a fusão envolve aquecer um plasma de núcleos leves até o ponto em que esses núcleos superem sua repulsão mútua e se combinem para formar um elemento mais pesado. O processo produz novas partículas – no caso do deutério e do trítio, núcleos de hélio (partículas alfa) e neutrões – bem como enormes quantidades de energia. Se o plasma puder ser mantido a temperaturas e pressões imensas por tempo suficiente, as partículas alfa deverão fornecer calor suficiente para sustentar as reações por si mesmas, enquanto os nêutrons podem ser potencialmente interceptados para alimentar uma turbina a vapor.
Os tokamaks de fusão usam campos magnéticos para confinar plasmas por períodos bastante longos. O NIF, como dispositivo de “confinamento inercial”, explora as condições extremas criadas por um momento fugaz dentro de uma pequena quantidade de combustível de fusão altamente comprimido antes de se expandir novamente. O combustível é colocado dentro de uma cápsula esférica de 2 mm de diâmetro, que está localizada no centro de um “hohlraum” metálico cilíndrico de aproximadamente 1 cm de comprimento e implode quando os raios laser direcionados com precisão do NIF atingem o interior do hohlraum e geram uma inundação de Raios X.
Em contraste com os tokamaks, o NIF não foi concebido principalmente para demonstrar energia, mas sim para servir como uma verificação dos programas de computador utilizados para simular explosões de armas nucleares – dado que os EUA cessaram os testes ao vivo em 1992. No entanto, depois de serem activados em 2009, rapidamente tornou-se evidente que os programas utilizados para orientar as suas próprias operações tinham subestimado as dificuldades envolvidas, em particular ao lidar com instabilidades de plasma e criar implosões adequadamente simétricas. Com o NIF a falhar o seu objectivo inicial de atingir a ignição até 2012, a Administração Nacional de Segurança Nuclear dos EUA, que supervisiona o laboratório, deixou esse objectivo de lado para se concentrar na demorada tarefa de compreender melhor a dinâmica da implosão.
No início de 2021, após uma série de modificações experimentais, Hurricane e colegas mostraram finalmente que poderiam usar o laser para criar o que é conhecido como plasma em chamas – no qual o calor das partículas alfa excede o fornecimento de energia externo. Eles então fizeram uma série de ajustes adicionais, incluindo a redução dos orifícios de entrada do laser do hohlraum e a redução da potência de pico do laser. O efeito foi deslocar parte da energia dos raios X para mais tarde no disparo, o que aumentou a potência transferida para o combustível nuclear – elevando-a o suficiente para superar as perdas radiativas e condutivas.
Em agosto de 2021, os pesquisadores do NIF registraram sua foto histórica “N210808”. O hotspot no centro do combustível, neste caso, tinha uma temperatura de cerca de 125 milhões de Kelvin e um rendimento energético de 1.37 MJ – cerca de oito vezes superior ao seu melhor resultado anterior, obtido no início do ano. Este novo rendimento implicou um “ganho alvo” de 0.72 – quando comparado com a saída de 1.97 MJ do laser – e um “ganho da cápsula” de 5.8 quando se considera a energia absorvida pela cápsula.
Mais importante ainda, no que diz respeito ao furacão, o experimento também satisfez o que é conhecido como critério de Lawson para ignição. Apresentado pela primeira vez pelo engenheiro e físico John Lawson em 1955, estipula as condições nas quais o autoaquecimento da fusão excederá a energia perdida por condução e radiação. Hurricane diz que os resultados do NIF satisfizeram nove formulações diferentes do critério para fusão por confinamento inercial, demonstrando assim a ignição “sem ambiguidade”.
Três tiros e você está fora
Após o disparo recorde, Hurricane e alguns de seus colegas cientistas do NIF estavam ansiosos para replicar seu sucesso. Mas a administração do laboratório não ficou tão entusiasmada. De acordo com Mark Herrmann, então vice-diretor de física fundamental de armas de Livermore, vários grupos de trabalho foram criados após o N210808 para avaliar os próximos passos. Ele diz que uma equipa de gestão composta por cerca de 10 especialistas em confinamento inercial reuniu essas conclusões e elaborou um plano, que apresentou em setembro.
Herrmann diz que o plano continha três partes – tentativa de reproduzir o N210808; analisar as condições experimentais que possibilitaram o tiro recorde; e tentando obter “rendimentos robustos de megajoule”. A discussão do primeiro ponto envolveu o que Herrmann descreve como “uma grande variedade de opiniões” entre os cerca de 100 cientistas que trabalham no programa de fusão. No final, dados os “recursos limitados” e um número limitado de alvos no lote contendo N210808, ele diz que a equipa de gestão decidiu por apenas três tiros adicionais.
O furacão tem uma lembrança um pouco diferente, dizendo que houve quatro repetições. Esses experimentos, diz ele, foram realizados durante um período de aproximadamente três meses e alcançaram rendimentos que variaram de menos de um quinto a cerca de metade dos alcançados em agosto. Mas ele afirma que essas tomadas ainda eram “experimentos muito bons”, acrescentando que também satisfaziam algumas formulações do critério de Lawson. A diferença no desempenho, diz ele, “não é tão binária como as pessoas têm retratado”.
O processo de revestimento de plasma é uma receita, então, assim como assar pão, ele não sai exatamente igual todas as vezes
Furacão Omar
Quanto ao que causou esta enorme variação na produção, Herrmann diz que a principal hipótese são vazios e reentrâncias nas cápsulas de combustível, que são feitas de diamante industrial. Ele explica que essas imperfeições podem ser amplificadas durante o processo de implosão, fazendo com que o diamante entre no ponto quente. Dado que o carbono tem um número atômico maior que o deutério ou o trítio, ele pode irradiar com muito mais eficiência, o que esfria o ponto quente e diminui o desempenho.
Hurricane concorda que o diamante provavelmente desempenha um papel importante na variação do desempenho tiro a tiro. Salientando que são esperadas grandes variações na produção dada a não linearidade das implosões do NIF, ele diz que os cientistas envolvidos não compreendem completamente o processo de revestimento de plasma utilizado durante a fabricação das cápsulas. “É uma receita”, diz ele, “então, assim como assar pão, não sai exatamente igual todas as vezes”.
O caminho para a energia de fusão
Hurricane diz que a equipe está agora investigando várias maneiras de aumentar a produção do NIF, além de melhorar a qualidade das cápsulas. Isso inclui alterar a espessura da cápsula, alterar o tamanho ou a geometria do hohlraum ou possivelmente aumentar a energia do pulso do laser para cerca de 2.1 MJ para diminuir a precisão necessária para o alvo. Ele diz que “não existe um número mágico” quando se trata do ganho alvo, mas acrescenta que quanto maior o ganho, maior o espaço de parâmetros que pode ser explorado ao fazer o gerenciamento de estoques. Ele também ressalta que um ganho de 1 não significa que a instalação esteja gerando energia líquida, dado o quão pouco da energia elétrica recebida o laser converte em luz no alvo – no caso do NIF, menos de 1%.
O longo caminho para a ignição
Michael Campbell da Universidade de Rochester nos EUA considera que o NIF poderia alcançar um ganho de pelo menos 1 “durante os próximos 2–5 anos”, dadas as melhorias adequadas ao hohlraum e à meta. Mas ele argumenta que obter ganhos comercialmente relevantes de 50-100 provavelmente exigiria uma mudança do “impulso indireto” do NIF, que gera raios X para comprimir o alvo, para o “impulso direto” potencialmente mais eficiente, mas mais complicado, que depende de a própria radiação laser.
Apesar dos vários milhares de milhões de dólares que provavelmente serão necessários, Campbell está optimista quanto ao facto de uma instalação de accionamento directo adequada poder demonstrar tais ganhos até ao final da década de 2030 – especialmente, diz ele, se o sector privado estiver envolvido. Mas ele adverte que as centrais eléctricas comerciais provavelmente só começarão a funcionar pelo menos em meados do século. “A energia de fusão é para o longo prazo”, diz ele, “acho que as pessoas têm que ser realistas sobre os desafios”.
