Cientistas do Departamento de Energia dos EUA (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) descobriram novos detalhes críticos sobre instalações de fusão que usam lasers para comprimir o combustível que produz energia de fusão. Os novos dados podem ajudar a melhorar o design de futuras instalações de laser que aproveitam o processo de fusão que impulsiona o sol e as estrelas.
A fusão combina elementos leves na forma de plasma – o estado quente e carregado da matéria composto de elétrons livres e núcleos atômicos – que gera grandes quantidades de energia. Os cientistas estão procurando replicar a fusão na Terra para um suprimento virtualmente inesgotável de energia para gerar eletricidade.

As principais instalações experimentais incluem tokamaks, os dispositivos de fusão magnética que o PPPL estuda; stellarators, as máquinas de fusão magnética que o PPPL também estuda e que recentemente se tornaram mais difundidas pelo mundo; e dispositivos a laser usados ​​nos chamados experimentos de confinamento inercial.

Os pesquisadores exploraram o impacto da adição de metal de tungstênio, que é usado para fazer ferramentas de corte e filamentos de lâmpadas, à camada externa de pellets de combustível de plasma em pesquisas de confinamento inercial. Eles descobriram que o tungstênio aumenta o desempenho das implosões que causam reações de fusão nas pelotas. O tungstênio ajuda a bloquear o calor que elevaria prematuramente a temperatura no centro do pellet.

A equipe de pesquisa confirmou as descobertas fazendo medições usando gás criptônio, às vezes usado em lâmpadas fluorescentes. Uma vez adicionado ao combustível, o gás emitia luz de alta energia conhecida como raios X, que foi capturada por um instrumento chamado espectrômetro de raios X de alta resolução. Os raios-X deram pistas sobre o que estava acontecendo dentro da cápsula.

"Fiquei empolgado ao ver que poderíamos fazer essas medições sem precedentes usando a técnica que desenvolvemos nos últimos anos. Essa informação nos ajuda a avaliar a implosão do pellet e ajuda os pesquisadores a calibrar suas simulações de computador", disse o físico do PPPL Lan Gao, autor principal. do artigo relatando os resultados em Cartas de Revisão Física . “Melhores simulações e compreensão teórica em geral podem ajudar os pesquisadores a projetar melhores experimentos futuros”.

Os cientistas realizaram os experimentos no National Ignition Facility (NIF), uma instalação de usuários do DOE no Lawrence Livermore National Laboratory. A instalação lança 192 lasers em um cilindro de ouro, ou hohlraum, que tem um centímetro de altura e contém o combustível. Os feixes de laser aquecem o hohlraum, que irradia raios-X uniformemente sobre o pellet de combustível.

"É como um banho de raios-X", disse o físico do PPPL Brian Kraus, que contribuiu para a pesquisa. "É por isso que é bom usar um hohlraum. Você pode lançar lasers diretamente sobre o pellet de combustível, mas é difícil obter uma cobertura uniforme."

Os pesquisadores querem entender como o pellet é comprimido para que possam projetar futuras instalações para tornar o aquecimento mais eficiente. Mas obter informações sobre o interior do pellet é difícil. "Como o material é muito denso, quase nada pode sair", disse Kraus. "Queremos medir o interior, mas é difícil encontrar algo que possa atravessar a casca do pellet de combustível."

"Os resultados apresentados no artigo de Lan são de grande importância para a fusão inercial e forneceram um novo método de caracterização de plasmas em chamas", disse Phil Efthimion, chefe do Departamento de Ciência e Tecnologia de Plasma do PPPL e líder da colaboração com o NIF.

Os pesquisadores usaram um espectrômetro de raios-X de alta resolução projetado pelo PPPL para coletar e medir os raios-X irradiados com mais detalhes do que havia sido medido antes. Ao analisar como os raios-X mudavam a cada 25 trilionésimos de segundo, a equipe conseguiu rastrear como o plasma mudou ao longo do tempo.

"Com base nessas informações, pudemos estimar o tamanho e a densidade do núcleo do pellet com mais precisão do que antes, ajudando-nos a determinar a eficiência do processo de fusão", disse Gao. "Nós fornecemos evidências diretas de que a adição de tungstênio aumenta a densidade e a temperatura e, portanto, a pressão no pellet comprimido. Como resultado, o rendimento da fusão aumenta."

"Estamos ansiosos para colaborar com equipes teóricas, computacionais e experimentais para levar essa pesquisa adiante", disse ela. + Explorar mais

Cientistas do PPPL entregam novo diagnóstico de alta resolução para instalação nacional de laser