Cientistas do Laboratório de Energética Laser (LLE) da Universidade de Rochester conduziram experimentos para demonstrar uma "vela de ignição" eficaz para métodos de acionamento direto de fusão por confinamento inercial (ICF). Em dois estudos publicados na Nature Physics , os autores discutem seus resultados e descrevem como eles podem ser aplicados em escalas maiores, na esperança de eventualmente produzir fusão em uma instalação futura.



LLE é o maior programa universitário do Departamento de Energia dos EUA e hospeda o sistema de laser OMEGA, que é o maior laser acadêmico do mundo, mas ainda tem quase um centésimo da energia do National Ignition Facility (NIF) no Laboratório Nacional Lawrence Livermore, na Califórnia. .

Com a OMEGA, os cientistas de Rochester completaram várias tentativas bem-sucedidas de disparar 28 quilojoules de energia laser em pequenas cápsulas cheias de combustível de deutério e trítio, fazendo com que as cápsulas implodissem e produzissem um plasma quente o suficiente para iniciar reações de fusão entre os núcleos de combustível. Os experimentos causaram reações de fusão que produziram mais energia do que a quantidade de energia no plasma quente central.

Os experimentos OMEGA usam iluminação direta a laser da cápsula e diferem da abordagem de acionamento indireto usada no NIF. Ao usar a abordagem de acionamento indireto, a luz do laser é convertida em raios X que, por sua vez, impulsionam a implosão da cápsula. O NIF usou impulso indireto para irradiar uma cápsula com raios X usando cerca de 2.000 quilojoules de energia laser. Isto levou a um avanço em 2022 no NIF na obtenção da ignição por fusão – uma reação de fusão que cria um ganho líquido de energia do alvo.

“Gerar mais energia de fusão do que o conteúdo energético interno do local onde a fusão ocorre é um limite importante”, diz o autor principal do primeiro artigo, Connor Williams '23 Ph.D. (física e astronomia), agora cientista da equipe do Sandia National Labs em radiação e design de alvos ICF. "Esse é um requisito necessário para qualquer coisa que você queira realizar mais tarde, como queimar plasmas ou obter ignição."

Ao mostrar que podem atingir este nível de desempenho de implosão com apenas 28 quilojoules de energia laser, a equipe de Rochester está entusiasmada com a perspectiva de aplicar métodos de acionamento direto a lasers com mais energia. Demonstrar uma vela de ignição é um passo importante, no entanto, o OMEGA é demasiado pequeno para comprimir combustível suficiente para atingir a ignição.

"Se você puder criar a vela de ignição e comprimir o combustível, o acionamento direto terá muitas características que são favoráveis ​​para a energia de fusão em comparação com o acionamento indireto", diz Varchas Gopalaswamy '21 Ph.D. (engenharia mecânica), o cientista do LLE que liderou o segundo estudo que explora as implicações do uso da abordagem de acionamento direto em lasers da classe megajoule, semelhante ao tamanho do NIF. "Depois de dimensionar os resultados do OMEGA para alguns megajoules de energias de laser, prevê-se que as reações de fusão se tornem autossustentáveis, uma condição chamada 'plasmas em chamas'."

Gopalaswamy diz que o ICF de acionamento direto é uma abordagem promissora para obter ignição termonuclear e energia líquida na fusão a laser.

"Um fator importante que contribui para o sucesso desses experimentos recentes é o desenvolvimento de um novo método de projeto de implosão baseado em previsões estatísticas e validado por algoritmos de aprendizado de máquina", diz Riccardo Betti, cientista-chefe da LLE e professor Robert L. McCrory no Departamento. de Engenharia Mecânica e no Departamento de Física e Astronomia. "Esses modelos preditivos nos permitem restringir o conjunto de projetos candidatos promissores antes de realizar experimentos valiosos."

Os experimentos de Rochester exigiram um esforço altamente coordenado entre um grande número de cientistas, engenheiros e pessoal técnico para operar a complexa instalação de laser. Eles colaboraram com pesquisadores do MIT Plasma Science and Fusion Center e da General Atomics para conduzir os experimentos.

Mais informações: C. A. Williams et al, Demonstração de ganho de combustível de ponto quente excedendo a unidade em implosões de fusão por confinamento inercial de acionamento direto, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02363-2
V. Gopalaswamy et al, Demonstração de um plasma de queima hidrodinamicamente equivalente em fusão de confinamento inercial de acionamento direto, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02361-4

Fornecido pela Universidade de Rochester