Um método relativamente novo para controlar a fusão nuclear que combina um choque massivo de eletricidade com fortes campos magnéticos e um poderoso feixe de laser alcançou seu próprio recorde de produção de nêutrons - um padrão chave pelo qual os esforços de fusão são julgados - no Z pulsado do Sandia National Laboratories instalação de energia, o mais poderoso produtor de raios-X da Terra.

A conquista, de um projeto chamado MagLIF, para fusão inercial de liner magnetizado, foi relatado em um artigo publicado em 9 de outubro na revista Cartas de revisão física .

"A produção de nêutrons nos últimos dois anos aumentou em mais de uma ordem de magnitude, "disse o físico Sandia e investigador principal Matt Gomez." Não estamos apenas satisfeitos que as melhorias que implementamos levaram a este aumento na produção, mas que o aumento foi previsto com precisão pela teoria. "

A produção de nêutrons do MagLIF aumentou para 10 a 13 usando combustível deutério (10 a 15 representaria o aumento de cem vezes na produção geralmente aceito pelos cientistas, se uma mistura igual de deutério e trítio, DT, tinha sido usado) e a temperatura média do íon dobrou. Isso foi alcançado por meio de um aumento simultâneo de 50 por cento no campo magnético aplicado, uma triplicação da energia do laser e um aumento na entrada de energia de Z de 16 para 20 mega-amperes, Disse Gomez.

"A produção foi de apenas 2 quilojoules DT, uma quantidade relativamente pequena de energia, "disse ele. Um quilojoule é definido como a energia térmica dissipada por uma corrente de 1, 000 amperes passando por um resistor de 1 ohm por um segundo. "Mas, com base nos experimentos que fizemos até agora, que mostram um fator de melhoria de 30 em cinco anos e simulações consistentes com esses experimentos, pensamos que um rendimento de 30 a 50 kilojoule é possível, nos aproximando do estado conhecido como ponto de equilíbrio científico. "

O aumento da produção, previsto a partir de mudanças na entrada, indica que uma proposta para construir uma máquina ainda maior do que Z e mais bem equipada para exceder o ponto de equilíbrio, agora tem uma base mais forte para fazer essa solicitação, disse Gomez.

"Os resultados da MagLIF despertaram um tremendo interesse na pesquisa de fusão que - combinando magnetismo, lasers e energia elétrica - abrange os estados de plasma entre a fusão de confinamento inercial tradicional, como os lasers da National Ignition Facility do Lawrence Livermore National Lab, e fusão de confinamento magnético tradicional, como o projeto internacional ITER no sul da França, "disse Dan Sinars, diretor do Pulsed Power Sciences Center de Sandia. "O sucesso do MagLIF levou a novos programas e várias start-ups de fusão, e ajudou a aumentar o interesse por essa abordagem mais ampla. "

Como as condições de desempenho e plasma variaram previsivelmente com mudanças nos parâmetros de entrada, O gerente de experimentos de fusão Sandia, David Ampleford, disse:"Temos confiança adicional de que podemos dimensionar MagLIF para correntes mais altas."

O ponto de equilíbrio é a meta intermediária

O ponto de equilíbrio ocorre quando a quantidade de energia investida no combustível é igual à quantidade de energia que ele emite, uma conquista marcante para aqueles no campo. Quando mais energia é emitida do que o necessário para manter o experimento - uma condição conhecida como "alto rendimento" - o sonho do mundo de energia limpa da água do mar, o material mais acessível da Terra, dará um passo gigante à frente.

A água do mar contém uma variante do hidrogênio chamada deutério, que contém um nêutron extra, e trítio, que tem dois nêutrons extras. Esses nêutrons extras são fusíveis, o que significa que eles liberam energia de fusão quando podem se combinar. Deutério, mais fácil de trabalhar, é o material atual de escolha em quase todos os experimentos de fusão em Z, com a presença mais enérgica do trítio às vezes simulada.

Mesmo antes de atingir o ponto de equilíbrio, o trabalho é útil:dados de reações de fusão cada vez mais poderosas alimentadas em supercomputadores informam o trabalho de administração de estoque de Sandia que garante que as armas nucleares do país estejam seguras, seguro e confiável.

A história do MagLIF começa com uma teoria

A teoria por trás do método de fusão MagLIF de Sandia foi originada há uma década em Sandia por uma equipe liderada pelo físico teórico Steve Slutz. O método combina um enorme pulso elétrico de Z com uma explosão de laser que pré-aquece um alvo de deutério do tamanho de uma borracha de lápis, às vezes gelado, aproximando-o de uma temperatura inicial adequada a partir da qual subir para a fusão. O método então emprega um campo magnético para manter as partículas carregadas dentro da área operacional cilíndrica para que se fundam em maior número. Então, ainda informado pela teoria, veio uma onda de melhorias, mais recentemente liderado pela equipe Sandia de Gomez.

A equipe diminuiu a espessura de uma janela de plástico transparente que continha o gás de fusão à temperatura ambiente, mas também obscureceu parcialmente uma porta de entrada para o feixe de laser.

Inicialmente, a equipe escolheu de forma conservadora uma janela muito espessa para garantir que ela não estourasse antes do experimento e arruinasse o alvo, Disse Gomez. Subseqüentemente, a equipe testou rigorosamente os materiais das janelas em uma variedade de espessuras para identificar a pressão em que cada uma falharia.

"Determinamos que poderíamos reduzir cerca de metade a espessura e ainda conter o combustível de fusão de forma robusta, "Gomez disse.

A janelinha que sumiu

O combustível preservado, os pesquisadores se voltaram para simulações de computador que mostraram quanta melhoria poderia ser esperada no acoplamento de energia do feixe de laser com o alvo, dado que a espessura da janela havia diminuído.

"O laser não passa pela janela da maneira que tradicionalmente pensamos que passaria, "Disse Gomez." O laser é tão intenso que realmente ioniza a janela, convertendo-o em um plasma, aquecendo-o até que se torne mais ou menos transparente ao laser. O processo de aquecimento da janela a essas temperaturas extremas é responsável por uma fração decente da energia do laser perdida. Removemos cerca de metade da massa do material da janela, então não precisamos aquecer tanto, então perdemos menos energia.

"Nossas simulações foram posteriormente confirmadas com experimentos, "Gomez disse.

Sandia também aumentou o poder dos campos magnéticos que impediam as partículas carregadas de deixar o campo de jogo, tornando mais provável que eles fiquem para interagir e se fundir.

Outro problema superado foi como aumentar a força de duas bobinas magnéticas, mantendo uma janela entre elas para acesso de diagnóstico, Disse Gomez. "Anteriormente, precisávamos decidir entre um campo magnético maior sem acesso de diagnóstico, que relutamos em tentar, e um campo magnético menor com acesso para diagnóstico, "Gomez disse." Agora temos o campo maior e o acesso de diagnóstico, que conseguimos através do reforço interno das bobinas. "

A estabilidade das reações continua sendo um problema à medida que as poderosas forças operacionais aumentam. A implosão da fusão, abalado pelo aumento da entrada, pode girar para o nada. Mas as simulações mostram que a pressão mais alta na área de combustível deve agir para estabilizar contra o aumento das forças de entrada.

"O ponto de equilíbrio ainda está a duas ordens de magnitude de distância, mas as simulações que capturam nossas tendências experimentais indicam que outra ordem de magnitude de aumento no rendimento é possível com aumentos adicionais dos parâmetros de entrada, "Gomez disse.

Ele menciona mais combustível, rajadas de laser mais potentes, campos magnéticos e pulsos elétricos como fatores contribuintes controláveis ​​que levam a saídas mais altas que ele considera inevitáveis.