As energias de fusão a laser não correspondem às expectativas

Na segunda-feira, foi divulgado um artigo descrevendo alguns resultados confusos do National Ignition Facility, que usa muitos lasers altamente energéticos focados em um pequeno alvo para iniciar uma reação de fusão. Nos últimos anos, a instalação passou por alguns marcos importantes, incluindo ignição por fusão e a criação do chamado plasma ardente.

Agora, os pesquisadores analisaram as propriedades do plasma ao experimentar esses estados de alta energia. Para sua surpresa, eles descobriram que o plasma em chamas parecia se comportar de maneira diferente daquele que havia sido submetido à ignição. No momento, não há uma explicação clara para a diferença.

Ignição versus queima

Nos experimentos aqui apresentados, o material utilizado para a fusão é uma mistura de trítio e deutério, dois isótopos mais pesados ​​que o hidrogênio. Estes se combinam para produzir um átomo de hélio, deixando um nêutron sobressalente para ser emitido; A energia da reação de fusão é liberada na forma de raios gama.

O processo de fusão é desencadeado por uma explosão curta e extremamente intensa de luz laser apontada para um pequeno cilindro de metal. O metal emite raios X intensos, que vaporizam a superfície dos grãos próximos, criando uma intensa onda de calor e pressão no interior dos grãos, onde estão o deutério e o trítio. Estes formam plasmas de alta energia, que criam as condições para a fusão.

Se tudo correr bem, a energia transmitida inflama o plasma, o que significa que nenhuma energia adicional é necessária para manter as reações de fusão durante a fração de segundo que passa antes que tudo exploda. Em energias mais altas, o plasma atinge um estado chamado combustão, onde os átomos de hélio que se formam carregam tanta energia que podem inflamar o plasma adjacente. Isso é crítico, pois significa que o restante da energia (na forma de nêutrons e raios gama) pode ser coletado para produzir energia útil.

Embora tenhamos modelos detalhados da física que ocorre nessas condições extremas, precisamos comparar esses modelos com o que acontece dentro do plasma. Infelizmente, como tanto o plasma quanto o material que o cercava anteriormente estão em processo de explosão, isso representa um grande desafio. Para ter uma ideia do que pode estar acontecendo, os pesquisadores se voltaram para um dos produtos da própria reação de fusão: os nêutrons que ela emite, que podem passar pelos detritos e serem captados por detectores próximos.

medição de temperatura

A física da reação de fusão produz nêutrons de uma certa energia. Se a fusão ocorresse em um material onde os átomos estivessem fixos, todos os nêutrons sairiam com essa energia. Mas é claro que os núcleos atômicos do plasma – trítio e deutério – estão se movendo violentamente. Dependendo de como eles se movem em relação ao detector, esses íons podem transferir alguma energia extra para os nêutrons ou subtrair um pouco.

Isso significa que, em vez de aparecer como uma linha nítida em uma determinada energia, os nêutrons saem em uma faixa de energias que formam uma curva ampla. O pico dessa curva está relacionado ao movimento dos íons no plasma e, portanto, à temperatura do plasma. Mais detalhes podem ser extraídos da forma da curva.

Entre o ponto de ignição e o ponto de combustão, parece que temos uma compreensão precisa de como a temperatura do plasma se relaciona com a velocidade dos átomos no plasma. Os dados dos nêutrons se alinham bem com a curva calculada a partir de nossas previsões de modelo. No entanto, uma vez que o plasma muda para combustão, as coisas não são mais idênticas. É como se os dados de nêutrons encontrassem uma curva completamente diferente e a seguissem.

Então, o que pode explicar essa curva diferente? Não é que não tenhamos ideia. Temos um monte deles e não há como diferenciá-los. A equipe que analisou esses resultados sugeriu quatro explicações possíveis, incluindo a cinética inesperada de partículas individuais no plasma ou uma falha em explicar os detalhes do comportamento dos plasmas de massa. Como alternativa, o plasma em chamas pode se estender por uma área diferente ou durar um período de tempo diferente do que esperávamos.

Em qualquer caso, dizem os autores, “Entender o motivo desse afastamento do comportamento hidrodinâmico pode ser importante para alcançar uma ignição robusta e repetível”.

física da natureza2022. DOI: 10.1038/s41567-022-01809-3 (Sobre DOIs).