{"id":20199,"date":"2022-12-19T09:45:33","date_gmt":"2022-12-19T12:45:33","guid":{"rendered":"https:\/\/sbfisica.org.br\/v1\/sbf\/?p=20199"},"modified":"2022-12-19T09:46:30","modified_gmt":"2022-12-19T12:46:30","slug":"sobre-o-recente-resultado-de-fusao-por-laser-obtido-no-lawrence-livermore-national-laboratory","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.sbfisica.org.br\/v1\/sbf\/sobre-o-recente-resultado-de-fusao-por-laser-obtido-no-lawrence-livermore-national-laboratory\/","title":{"rendered":"Sobre o Recente Resultado de Fus\u00e3o por Laser obtido no Lawrence Livermore National Laboratory"},"content":{"rendered":"\n

Imagem extra\u00edda de https:\/\/www.nature.com\/articles\/d41586-022-04440-7<\/em><\/p>\n\n\n\n

Ricardo Galv\u00e3o<\/strong><\/em><\/p>\n\n\n\n

Em 16 de maio de 1960, baseando-se no trabalho de outros pioneiros, como Charles Townes e Arthur Schawlow, Theodore Maiman p\u00f4s em funcionamento o primeiro laser a operar como uma fonte de luz coerente, um laser de rubi. Nos sessenta e dois anos desde ent\u00e3o, vimos surgir uma mir\u00edade de aplica\u00e7\u00f5es de lasers, tanto para a ci\u00eancia b\u00e1sica como em utiliza\u00e7\u00f5es diretamente em benef\u00edcio da humanidade. Nesta semana, recebemos a not\u00edcia da comprova\u00e7\u00e3o experimental de uma dessas aplica\u00e7\u00f5es, perseguida h\u00e1 mais de cinquenta anos, a produ\u00e7\u00e3o de energia de fus\u00e3o pelo esquema de \u201cconfinamento inercial\u201d, em que feixes de lasers de alt\u00edssima intensidade comprimem uma pequena pastilha-alvo, de deut\u00e9rio e tr\u00edtio congelados, a densidades cerca de tr\u00eas ordens de magnitude acima da densidade s\u00f3lida, acionando rea\u00e7\u00f5es de fus\u00e3o. Em 5 de dezembro, cientistas da National Ignition Facilty – NIF, do Lawrence Livermore National Laboratory – LLNL, atingiram a chamada Condi\u00e7\u00e3o de Igni\u00e7\u00e3o<\/em>, em que a energia liberada pelas rea\u00e7\u00f5es de fus\u00e3o entre deut\u00e9rio e tr\u00edtio suplanta a energia gasta para comprimir o alvo (no caso do NIF, cerca de 2\u00d7106<\/sup>J de energia ultravioleta). Cr\u00edticos da pesquisa para desenvolver reatores de fus\u00e3o costumeiramente menosprezam os esfor\u00e7os nesta \u00e1rea com o coment\u00e1rio jocoso de que \u201cos reatores a fus\u00e3o estar\u00e3o sempre a trinta anos no futuro\u201d. A essa atitude cientificamente reacion\u00e1ria vale a pena contrapor com a afirma\u00e7\u00e3o do Dr. Arati Prabhakar, Conselheiro-Chefe para Ci\u00eancia e Tecnologia do Presidente dos Estados Unidos da Am\u00e9rica, ao comentar o resultado do NIF, \u201cTemos uma compreens\u00e3o te\u00f3rica da fus\u00e3o h\u00e1 mais de um s\u00e9culo, mas a jornada do saber ao fazer pode ser longa e \u00e1rdua. O marco de hoje mostra o que podemos fazer com perseveran\u00e7a<\/em>\u201d.<\/p>\n\n\n\n

Sabemos que h\u00e1 dois esquemas que v\u00eam sendo desenvolvidos para viabilizar a produ\u00e7\u00e3o de energia em reatores de fus\u00e3o, o mais antigo (iniciado em meados da d\u00e9cada de 1950), confinamento magn\u00e9tico, em que plasmas em temperaturas termonucleares s\u00e3o confinados por campos magn\u00e9ticos apropriados, e o mais recente (iniciado no final da d\u00e9cada de !960), confinamento inercial, em que diminutos alvos s\u00f3lidos s\u00e3o comprimidos a alt\u00edssimas densidades, atingindo estados extremos da mat\u00e9ria, em que at\u00e9 mesmo as equa\u00e7\u00f5es de estado ainda n\u00e3o est\u00e3o bem estabelecidas. O mais avan\u00e7ado experimento de confinamento magn\u00e9tico \u00e9 o tokamak JET, instalado em Culham, Reino Unido. Nesse tokamak, tamb\u00e9m neste ano, foi alcan\u00e7ado um recorde de produ\u00e7\u00e3o de energia de fus\u00e3o, 59MJ por 5s. No entanto, a raz\u00e3o entre a pot\u00eancia produzida pelas rea\u00e7\u00f5es de fus\u00e3o e a pot\u00eancia gasta para criar e manter o plasma foi Q=0,33, ou seja, abaixo da condi\u00e7\u00e3o de ganho Q=1 [Nature 602, 371 (2022)]. O NIF \u00e9 a mais avan\u00e7ada instala\u00e7\u00e3o existente em confinamento inercial. No ano passado, j\u00e1 havia alcan\u00e7ado a condi\u00e7\u00e3o Q\u02dc0,7. Por isso, o excelente resultado que acaba de obter j\u00e1 era, de certa forma, esperado. Mesmo assim, a produ\u00e7\u00e3o de 2,5MJ de energia de fus\u00e3o em compara\u00e7\u00e3o com 2,1MJ de energia utilizada para alimentar os lasers \u00e9 um feito not\u00e1vel e bastante auspicioso [Nature – https:\/\/doi.org\/10.1038\/d41586-022-04440-7<\/a>].<\/p>\n\n\n\n

Apesar de sua relev\u00e2ncia para produ\u00e7\u00e3o de energia, a fus\u00e3o por confinamento inercial \u2013 ICF (Inertial Confinement Fusion) tem sido pesquisada com alta prioridade em alguns pa\u00edses devido principalmente \u00e0 sua utilidade na simula\u00e7\u00e3o de artefatos nucleares. De facto, os primeiros trabalhos sobre a ICF foram baseados no M\u00e9todo Ulam-Teller (U-T) sobre implos\u00e3o de raios X, desenvolvido por Stanislaw Ulam e Edward Teller em 1951 para bombas termonucleares. Logo ap\u00f3s a descoberta do laser, destacados cientistas do Lawrence Livermore National Laboratory come\u00e7aram a investigar seu emprego para produzir igni\u00e7\u00e3o por fus\u00e3o nuclear de micro pastilhas de cerca de um miligrama. Esse trabalho foi classificado at\u00e9 o final da d\u00e9cada de 1960, tendo sido desclassificado a partir de 1971, com a publica\u00e7\u00e3o de um relat\u00f3rio t\u00e9cnico por um grupo liderado por John Nuckols [Nuckolls, J., Wood, J., Thiessen, A., Zimmermann, G., May 1972. Laser Compression of Matter to Super High Densities. IEEE\/IQEC, Montreal, Canada. UCRL-74053]. <\/p>\n\n\n\n

O esquema de ICF por feixes de lasers \u00e9 um tanto distinto do m\u00e9todo U-T. Em sua concep\u00e7\u00e3o original, denominada \u201cacionamento direto do alvo\u201d, um pequeno alvo esf\u00e9rico, de alguns mil\u00edmetros de di\u00e2metro, \u00e9 iluminado o mais uniformemente poss\u00edvel por v\u00e1rios feixes de lasers de alt\u00edssima intensidade. No caso do NIF, s\u00e3o 192 feixes de laser depositando cerca de 500 TW de pot\u00eancia no comprimento de onda de 0,35 \u00b5m na superf\u00edcie do alvo. Isso causa r\u00e1pida forma\u00e7\u00e3o de uma camada de plasma de alta densidade e press\u00e3o na superf\u00edcie do alvo, que explode, causando uma onda de choque que comprime o restante do alvo s\u00f3lido (gelo s\u00f3lido de deut\u00e9rio-tr\u00edtio e g\u00e1s, com densidade cerca de 0,2g\/cm3<\/sup>). O restante do alvo \u00e9 ent\u00e3o comprimido a uma densidade da ordem de vinte vezes a densidade do chumbo, atingindo uma temperatura de cem milh\u00f5es de graus cent\u00edgrados. Nessa condi\u00e7\u00e3o ocorrem as rea\u00e7\u00f5es de fus\u00e3o e a queima termonuclear espalha-se rapidamente pelo combust\u00edvel comprimido, num tempo caracter\u00edstico de 200ps. Esse esquema dominou as pesquisas, at\u00e9 meados da d\u00e9cada de 1980, mas apresentou v\u00e1rias problemas devido a instabilidades no plasma formado na superf\u00edcie do alvo, em particular a instabilidade de Rayleigh-Taylor, que aparece na interface de dois fluidos de densidades distintas, quando o menos denso est\u00e1 comprimindo o mais denso. Essas instabilidades destru\u00edam a uniformidade da onda de choque esf\u00e9rica, necess\u00e1ria para comprimir o alvo.<\/p>\n\n\n\n

O problema de instabilidades e falta de uniformidade na compress\u00e3o do alvo foi solucionado com o desenvolvimento do conceito de \u201cacionamento indireto do alvo\u201d. Neste caso, a esfera alvo \u00e9 colocada no centro de um pequeno cilindro de metal pesado, ouro ou chumbo, por exemplo, com aberturas nas bases para entrada dos feixes de laser. Tipicamente o cilindro, denominado \u201chohlraum\u201d, tem 2,5mm de altura, 1,5mm de di\u00e2metro da base, com uma abertura 0,8mm, e a esfera alvo tem cerca de 0,5mm de di\u00e2metro. Os feixes de laser entram pelas aberturas nas bases e impingem nas paredes internas do hohlraum, causando intensa emiss\u00e3o de raios-X, principalmente pelo mecanismo de bremsstrahlung inverso. O hohlrum \u00e9 projetado para produzir raios-X eficientemente e os confinar atrav\u00e9s do efeito albedo. Isso o preenche com uma alta densidade de f\u00f3tons de raios-X altamente energ\u00e9ticos, que comprime uniformemente a esfera alvo de deut\u00e9rio-tr\u00edtio. Esse foi o esquema utilizado pelo NIF para obter o not\u00e1vel \u00eaxito descrito em sua nota de 14 de dezembro,<\/p>\n\n\n\n

https:\/\/www.llnl.gov\/news\/national-ignition-facility-achieves-fusion-ignition<\/a><\/p>\n\n\n\n

Naturalmente, como observaram v\u00e1rios comentaristas, esse resultado n\u00e3o implica que reatores \u00e0 fus\u00e3o baseados no esquema de fus\u00e3o por laser possam ser desenvolvidos num futuro pr\u00f3ximo. Al\u00e9m de ser uma instala\u00e7\u00e3o extremamente complexa e cara, em princ\u00edpio o LLNL poderia produzir o mesmo resultado uma vez por dia; enquanto uma planta de fus\u00e3o necessitaria que fosse produzido dez vezes por segundo, como real\u00e7ou o Professor Justin Wark, da Universidade de Oxford, em uma entrevista para o The Guardian. Mas o avan\u00e7o cient\u00edfico \u00e9 inquestion\u00e1vel, como real\u00e7ou o Professor Jeremy Chittenden, do Imperial College, na mesma entrevista ao The Guardian \u201cIt proves that the long sought-after goal, the \u2018holy grail\u2019 of fusion, can indeed be achieved<\/em>.\u201d<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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