Na câmara alvo da Instalação Nacional de Ignição, 192 feixes de laser estão focados em pellets de combustível de fusão do tamanho de grãos de pimenta.
Laboratório Nacional Lawrence Livermore
Em Outubro de 2010, num edifício do tamanho de três campos de futebol americano, os investigadores do Laboratório Nacional Lawrence Livermore alimentaram 192 feixes de laser, concentraram a sua energia num pulso com o soco de um camião de velocidade, e dispararam-no a uma pastilha de combustível nuclear do tamanho de um pimentão. Assim começou uma campanha do National Ignition Facility (NIF) para atingir o objetivo para o qual foi nomeado: acender uma reação de fusão que produz mais energia do que o laser coloca em.
Uma década e quase 3000 tiros mais tarde, o NIF ainda está gerando mais efervescência do que explosão, dificultada pelo complexo, comportamento mal compreendido dos alvos laser quando eles vaporizam e implodem. Mas com novos desenhos de alvos e formas de pulso laser, juntamente com melhores ferramentas para monitorar as explosões em miniatura, os pesquisadores da NIF acreditam que eles estão próximos de um importante marco intermediário conhecido como “plasma em combustão”: uma queima de fusão sustentada pelo calor da própria reação, ao invés da entrada de energia laser.
Aquecimento próprio é a chave para queimar todo o combustível e obter ganho de energia em fuga. Assim que o NIF atingir o limiar, as simulações sugerem que ele terá um caminho mais fácil para a ignição, diz Mark Herrmann, que supervisiona o programa de fusão da Livermore. “Estamos a fazer o máximo que podemos”, diz ele. “Você pode sentir a aceleração no nosso entendimento.” Os de fora também estão impressionados. “Você sente que há um progresso constante e menos adivinhações”, diz Steven Rose, co-director do Centro de Estudos de Fusão Inercial no Imperial College London. “Eles estão se afastando de projetos tradicionalmente realizados e tentando coisas novas.”
NIF pode não ter o luxo do tempo, no entanto. A proporção de disparos da NIF dedicados ao esforço de ignição foi reduzida de uma alta de quase 60% em 2012 para menos de 30% hoje em dia para reservar mais disparos para a administração de estoques-experimentos que simulam detonações nucleares para ajudar a verificar a confiabilidade das ogivas. Os pedidos de orçamento presidencial nos últimos anos têm procurado repetidamente cortar as pesquisas sobre a fusão por confinamento inercial no NIF e em outros lugares, apenas para que o Congresso a preserve. O financiador da NIF, a Administração Nacional de Segurança Nuclear (NNSA), está revendo o progresso da máquina pela primeira vez em 5 anos. Sob pressão para modernizar o arsenal nuclear, a agência poderia decidir sobre uma nova mudança em direção à administração de estoques. “Será que o programa de ignição vai ser espremido?” pergunta Mike Dunne, que dirigiu os esforços de energia de fusão da Livermore de 2010 a 2014. “O júri está fora.”
Fusão tem sido mantida como uma fonte de energia livre de carbono, alimentada por isótopos de hidrogênio prontamente disponíveis e não produzindo resíduos radioativos de longa duração. Mas permanece um sonho distante, mesmo para os fornos magnéticos de combustão lenta em forma de donut, como o projeto ITER na França, que visa obter ganho de energia algum tempo depois de 2035.
NIF e outros dispositivos de fusão por inércia seriam menos como um forno e mais como um motor de combustão interna, produzindo energia através de explosões rápidas das pequenas pastilhas de combustível. Enquanto alguns lasers de fusão apontam seus feixes diretamente para as pelotas, os disparos da NIF são indiretos: os feixes aquecem uma lata de ouro do tamanho de uma borracha de lápis chamada hohlraum, que emite um pulso de raios X destinado a acender a fusão aquecendo a cápsula de combustível em seu centro a dezenas de milhões de graus e comprimindo-a a bilhões de atmosferas.
Mas os disparos nos primeiros 3 anos da campanha de ignição produziram apenas cerca de 1 kilojoule (kJ) de energia cada um, menos os 21 kJ bombeados para a cápsula pelo pulso de raios X e muito menos os 1,8 megajoules (MJ) no pulso original do laser. Siegfried Glenzer, que liderou a campanha inicial, diz que a equipe era “excessivamente ambiciosa” em chegar à ignição. “Estávamos muito dependentes de simulações”, diz Glenzer, agora no Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC.
Após a campanha de ignição fracassada, os pesquisadores da NIF reforçaram seus instrumentos de diagnóstico. Eles adicionaram mais detectores de nêutrons para dar-lhes uma visão 3D de onde as reações de fusão estavam acontecendo. Eles também adaptaram quatro de seus feixes de laser para produzir pulsos de alta potência e ultrassorte momentos após a implosão, a fim de vaporizar fios finos próximos ao alvo. Os fios atuam como um flash de raio X, capaz de sondar o combustível à medida que este se comprime. “É como um CAT scan”, diz o cientista planetário Raymond Jeanloz da Universidade da Califórnia, Berkeley, que usa o NIF para replicar as pressões no núcleo de planetas gigantes como Júpiter. (Cerca de 10% dos disparos da NIF são dedicados à ciência básica.)
Com a sua visão mais nítida, os investigadores localizaram fugas de energia da pastilha de combustível implodida. Um veio no ponto em que um pequeno tubo injetou combustível na cápsula antes do tiro. Para tapar a fuga, a equipa tornou o tubo ainda mais fino. Outras fugas foram rastreadas até à cápsula de plástico da cápsula, pelo que os investigadores remodelaram a produção para suavizar imperfeições de apenas um milionésimo de um metro. O diagnóstico melhorado “realmente ajuda os cientistas a entender que melhorias são necessárias”, diz Mingsheng Wei do Laboratório de Energia Laser da Universidade de Rochester.
Fire by trial
The National Ignition Facility fechou sobre a ignição por fusão – obtendo mais energia para fora do que para dentro alterando seus pulsos e alvos do laser. Está ainda mais próximo das temperaturas e pressões necessárias para um objectivo intermédio: um auto-aquecimento “plasma em combustão”
A equipa também jogou com a forma dos impulsos laser de 20-nanossegundos. Os primeiros disparos subiram lentamente na potência, para evitar o aquecimento do combustível demasiado rápido e tornar mais difícil a sua compressão. Os pulsos posteriores aumentaram mais agressivamente para que a cápsula de plástico tivesse menos tempo para se misturar com o combustível durante a compressão, uma tática que aumentou um pouco o rendimento.
Na atual campanha, iniciada em 2017, os pesquisadores estão aumentando as temperaturas aumentando o hohlraum e a cápsula em até 20%, aumentando a energia de raios X que a cápsula pode absorver. Para aumentar a pressão, eles estão estendendo a duração do pulso e mudando de cápsulas de plástico para cápsulas de diamante mais densas para comprimir o combustível de forma mais eficiente.
NIF tem repetidamente alcançado rendimentos próximos a 60 kJ. Mas Herrmann diz que um tiro recente, discutido na reunião da Divisão de Física Plasmática da American Physical Society no início deste mês, excedeu isso. Estão previstas repetições de tiro para medir o quão perto eles chegaram de um plasma em combustão, o que está previsto para ocorrer em torno de 100 kJ. “É bastante excitante”, diz ele.
Even em compressão máxima, os pesquisadores da NIF acreditam que apenas o centro do combustível está quente o suficiente para fundir. Mas em uma descoberta encorajadora, eles vêem evidências de que o ponto quente está recebendo um impulso de aquecimento a partir de núcleos de hélio em movimento frenético, ou partículas alfa, criadas pelas reações de fusão. Se a NIF pode bombear apenas um pouco mais de energia, ela deve desencadear uma onda que sairá do ponto quente, queimando combustível conforme vai.
Herrmann diz que a equipe ainda tem mais alguns truques para experimentar – cada um dos quais poderia levar as temperaturas e pressões a níveis suficientemente altos para manter o plasma e a ignição em combustão. Eles estão testando diferentes formas de hohlraum para focar melhor a energia na cápsula. Eles estão experimentando cápsulas de parede dupla que poderiam reter e transferir energia de raios X de forma mais eficiente. E ao mergulharem o combustível numa espuma dentro da cápsula, em vez de o congelarem como gelo nas paredes da cápsula, esperam formar um melhor ponto quente central.
Será isso suficiente para chegar à ignição? Se estes passos não forem suficientes, aumentar a energia do laser seria a próxima opção. Os pesquisadores da NIF testaram upgrades em quatro das linhas de feixe e conseguiram obter um aumento de energia que, se os upgrades fossem aplicados a todos os feixes, traria a instalação completa perto de 3 MJ.
Essas atualizações levariam, é claro, tempo e dinheiro que a NIF pode não acabar recebendo. Os cientistas de fusão na NIF e em outros lugares aguardam ansiosamente as conclusões da revisão da NNSA. “Até onde podemos chegar?” pergunta Herrmann. “Eu sou um optimista. Vamos levar a NIF o mais longe que pudermos.”