A fusão é um fenómeno natural que fornece ao nosso planeta grande parte da sua energia – gerada a milhões de quilómetros de distância, no centro do nosso sol.



Aqui na Terra, os cientistas estão tentando replicar as condições quentes e densas que levam à fusão. No centro de uma estrela, as pressões gravitacionais e as altas temperaturas – cerca de 200 milhões de graus Fahrenheit – energizam e comprimem os átomos suficientemente próximos para fundirem os seus núcleos e gerarem excesso de energia.

“O objetivo final da investigação sobre fusão é reproduzir um processo que acontece nas estrelas o tempo todo”, diz Arianna Gleason, cientista do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia. "Dois átomos leves se unem e se fundem para formar um único núcleo mais pesado e mais estável. Como resultado, o excesso de massa - um núcleo tem menos massa do que os dois que o formaram - é convertido em energia e levado embora."

Essa massa restante (m) se transforma em energia (E) graças ao famoso E=mc ² de Einstein equação. Fazer com que a fusão aconteça na Terra é surpreendentemente simples – e foi conseguido muitas vezes ao longo das últimas décadas, utilizando uma vasta gama de dispositivos. A parte difícil é tornar o processo autossustentável, de modo que um evento de fusão impulsione o seguinte para criar um "plasma ardente" sustentado que possa, em última análise, gerar energia limpa, segura e abundante para alimentar a rede eléctrica.

“Você pode pensar nisso como o acendimento de um fósforo”, explica Alan Fry. diretor de projeto para Atualização de Petawatts em Condições Extremas do SLAC (MEC-U). "Uma vez acesa, a chama continua acesa. Na Terra, temos que criar as condições certas - densidade e temperatura muito altas - para que o processo aconteça, e uma das maneiras de fazer isso é com lasers."

Insira a energia de fusão inercial, ou IFE, uma abordagem potencial para construir uma usina de energia de fusão comercial usando combustível de fusão e lasers. O IFE obteve maior apoio nacional desde que cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) National Ignition Facility (NIF) demonstraram repetidamente reações de fusão que produziram um ganho líquido de energia pela primeira vez em qualquer lugar do mundo.

"Com feixes de laser intensos, conseguimos a ignição, o que significa que obtivemos mais energia de um alvo de fusão do que a energia do laser colocada nele", explicou Siegfried Glenzer, professor de ciência de fótons e diretor da divisão científica de alta densidade de energia do SLAC.

Fusão de confinamento inercial:como funciona

A técnica utilizada no NIF, conhecida como fusão por confinamento inercial, é uma das duas ideias principais que estão sendo exploradas para a criação de uma fonte de energia de fusão. A outra, conhecida como fusão por confinamento magnético, utiliza campos magnéticos para conter combustível de fusão na forma de plasma.

Com a fusão por confinamento inercial, o plasma é criado usando lasers intensos e um pequeno pellet cheio de hidrogênio – normalmente deutério e trítio, isótopos com um e dois nêutrons no núcleo, respectivamente. O pellet é cercado por um material leve que vaporiza para fora quando aquecido pelos lasers. E quando isso acontece, há uma reação líquida interna, provocando uma implosão.

“Este é basicamente um foguete esférico”, explica Fry. "Ao ejetar o escapamento para fora, ele impulsiona o foguete na direção oposta. Nesse caso, o material vaporizado na parte externa da pelota empurra os isótopos de hidrogênio em direção ao centro."

Os lasers devem ser aplicados com precisão para obter uma onda de choque simétrica movendo-se em direção ao centro da mistura de hidrogênio – criando a temperatura e a densidade necessárias para iniciar a reação de fusão. Os eventos de ignição NIF usam 192 feixes de laser para criar esta implosão e causar a fusão dos isótopos.

“A tecnologia laser e a nossa compreensão do processo de fusão avançaram tão rapidamente que agora podemos usar o confinamento do laser para criar um plasma ardente a partir de cada evento de fusão”, disse Gleason.

Lasers mais rápidos e eficientes

Mas ainda há um longo caminho a percorrer. Os lasers usados ​​para energia de fusão inercial devem ser capazes de disparar mais rapidamente e tornar-se mais eficientes eletricamente, dizem os especialistas.

Os lasers do NIF são tão grandes e complexos que só podem disparar cerca de três vezes por dia. Para alcançar uma fonte de energia de fusão inercial, disse Glenzer, "precisamos de lasers que possam operar 10 vezes por segundo. Portanto, precisamos mesclar os resultados da fusão NIF com tecnologias eficientes de laser e alvo de combustível".

Fry usa a analogia de um pistão no cilindro de um carro para descrever como as reações de fusão individuais se somam para gerar energia sustentada. “Cada vez que você injeta combustível e o acende, ele se expande e empurra o pistão do motor”, disse ele. "Para fazer seu carro se mover, você precisa fazer isso repetidamente, a milhares de rotações por minuto - ou dezenas de vezes por segundo, e é exatamente isso que precisamos fazer com a energia de fusão inercial para transformá-la em uma energia viável e contínua. , fonte de energia sustentável."

"Para alcançar o ganho de energia necessário para uma planta de fusão piloto, precisamos passar de cerca de duas vezes mais energia para fora do que para dentro - o ganho atual dos experimentos NIF - para um ganho de energia de 10 a 20 vezes a energia do laser que colocamos, "Glenzer disse. “Temos simulações que nos mostram que não é um objetivo irracional, mas será preciso muito trabalho para chegar lá”.

Além do mais, as estimativas atuais de ganho de energia com a ignição não incluem toda a energia ou eletricidade necessária para fazer o disparo do laser. Para tornar o IFE uma solução energética, é necessário aumentar todo o sistema, ou a eficiência da tomada de parede, o que exigirá avanços em ambas as direções:mais energia saindo da reação de fusão e menos energia no laser, diz Fry.

Os recentemente anunciados centros de ciência e tecnologia de energia de fusão inercial, patrocinados pelo DOE, reúnem conhecimentos de diversas instituições para enfrentar esses desafios.

O SLAC é parceiro em dois dos três centros, trazendo a experiência e as capacidades do laboratório em experimentos com laser de alta taxa de repetição, sistemas de laser e todas as tecnologias que os acompanham.

“Um desenvolvimento interessante são as novas instalações de laser planejadas na Colorado State University e no SLAC”, diz Glenzer, que é vice-diretor do centro RISE liderado pela CSU. A instalação de laser de alta potência na CSU e o projeto MEC-U na Linac Coherent Light Source do SLAC serão baseados na mais recente arquitetura de laser e fornecerão pulsos de laser a 10 disparos por segundo.

"O LCLS tem operado lasers nos últimos dez anos a mais de 100 disparos por segundo, e isso significa que temos uma experiência tecnológica muito forte na realização de experimentos com altas taxas de repetição", disse Glenzer. "Desenvolvemos novos alvos, diagnósticos e detectores que podem aproveitar as altas taxas de repetição e que são bastante exclusivos para este campo e combinam bem com o que queremos alcançar com o IFE."

Mas ainda há muito a aprender sobre como acertar com precisão um alvo no centro de uma câmara 10 vezes por segundo, de forma que os detritos do alvo e o poder de fusão não afetem ou danifiquem os lasers ou a inserção do alvo.

Como parceiro no hub STARFIRE liderado pelo LLNL, o SLAC contribuirá para a criação de requisitos técnicos detalhados para sistemas laser para IFE que estão intimamente relacionados com aqueles a serem construídos para o projeto MEC-U em andamento no SLAC, diz Fry.

"Os lasers avançados do MEC-U usarão uma forma mais eficiente de direcionar energia para o laser e um esquema de resfriamento avançado para funcionar com uma taxa de repetição mais alta. As tecnologias que estamos desenvolvendo e as questões científicas que podemos responder com elas são atraente para o IFE."

Além disso, os raios X ultrabrilhantes do LCLS podem ajudar os cientistas a entender o que acontece no combustível de hidrogênio durante a fusão, ou o que está acontecendo no material que é expelido do pellet para causar a implosão.

Colocando materiais – e pessoas – para trabalhar

Na verdade, os materiais desempenham um papel fundamental no desenvolvimento do IFE, diz Gleason. “Usar lasers para implodir um alvo de maneira uniforme e esférica é muito difícil porque os materiais são sempre defeituosos:há um deslocamento, um defeito, uma falta de homogeneidade química, uma rugosidade superficial, uma porosidade na mesoescala. materiais."

Uma das coisas que a entusiasma é compreender melhor os materiais envolvidos com o IFE no nível atômico para testar e refinar modelos físicos para projetos específicos de IFE, disse ela.

"No SLAC, temos ferramentas fenomenais para examinar profundamente os materiais. Ao compreender a física das imperfeições, podemos transformar suas 'falhas' em recursos que podem ser considerados em seu design - podemos ter muitos botões para ajustar o ajuste da compressão no processo de fusão."

Outro grande desafio que os três investigadores desejam enfrentar é a criação da força de trabalho necessária para realizar a investigação e gerir as instalações de energia de fusão do futuro.

Os centros incluem financiamento para o envolvimento dos estudantes, disse Glenzer. “Estaremos treinando a próxima geração de cientistas e técnicos para aproveitar essas novas capacidades”.

Fry e Gleason também desejam atrair pessoas para a área, para que a energia de fusão, à medida que se desenvolve, seja um empreendimento inclusivo.

“Vamos precisar de engenheiros, técnicos, operadores, recursos humanos e profissionais de compras, etc.”, disse Gleason. "Penso que muitos jovens podem apoiar a fusão e sentir-se fortalecidos fazendo algo que afaste a crise climática - eles querem ver uma mudança nas suas vidas."

Glenzer está convencido de que sim. “As pessoas especulavam que seriam necessários 30 anos para construir uma usina de energia de fusão, mas o recente avanço da ignição trouxe essa perspectiva para mais perto da realidade. Já aumentamos o ganho de fusão em 1.000 nos últimos 10 anos de trabalho no NIF”, ele disse.

“O potencial para uma fonte de energia limpa, equitativa e abundante – e toda a ciência e tecnologia que acompanham o desenvolvimento da energia de fusão – é muito entusiasmante.”

LCLS é uma instalação de usuário do DOE Office of Science. Os centros de energia de fusão foram formados pelo programa Inertial Fusion Energy Science &Technology Accelerator Research (IFE-STAR) do DOE.

Fornecido pelo Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC