O campo magnético aquece a fusão

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Um campo magnético pode aumentar drasticamente o desempenho de um experimento de fusão em larga escala que pode levar a uma futura fonte de energia limpa.

John Moody / LLNL

Fusão em lata. Neste experimento no National Ignition Facility, 192 feixes de laser (roxo) aquecem um cilindro de metal cujo brilho de raios X aquece a cápsula esférica de combustível (centro), resultando em uma reação de fusão. Uma bobina de fio (cor cobre) gera um poderoso campo magnético que pode triplicar a produção de energia da reação de fusão.Fusão em lata. Neste experimento no National Ignition Facility, 192 feixes de laser (roxo) aquecem um cilindro de metal cujo brilho de raios X aquece a cápsula esférica de combustível (centro), resultando em uma reação de fusão. Uma bobina de fio (cor cobre) gera uma forte… Mostre mais

A fusão nuclear poderia fornecer uma fonte de energia limpa, mas um dos desafios tecnológicos é manter o combustível em uma temperatura alta o suficiente por tempo suficiente. Em uma técnica chamada fusão de confinamento inercial (ICF) – onde os lasers iniciam a reação nuclear – um campo magnético demonstrou aumentar o aquecimento. Agora, os pesquisadores mostraram que um campo magnético também pode ajudar em um experimento em grande escala com um design mais complicado que produz significativamente mais energia. [1]. O campo aplicado aumentou a temperatura do combustível em 40% e triplicou a eficiência da reação de fusão. O trabalho fornece um passo para aumentar a robustez e a produção de energia da reação de fusão e fornece a primeira prova de conceito para a fusão assistida por magnetização em um experimento em larga escala.

Na versão mais simples do ICF, pulsos de laser sincronizados atingem uma cápsula cheia de hidrogênio frio, fazendo com que ela imploda. A implosão aquece o combustível e cria uma mancha de plasma quente (ver Ponto de vista: a fusão aumenta a temperatura). O “ponto quente” serve como uma faísca que inicia a combustão em todo o combustível, causando uma reação de fusão autossustentável que libera energia. No entanto, essas implosões podem não gerar energia de fusão significativa se a pastilha de combustível apresentar pequenas imperfeições em sua superfície ou se os lasers não estiverem perfeitamente sincronizados. Mas se o combustível pudesse ser aquecido a temperaturas mais altas do que foi possível em experimentos recentes, haveria mais espaço para erros, o que poderia diminuir a sensibilidade a esses detalhes.

Em 2012, pesquisadores da OMEGA Laser Facility da Universidade de Rochester, em Nova York, demonstraram que um campo magnético altera drasticamente o fluxo de calor no combustível aquecido a laser. Este campo, com efeito, fornece isolamento em torno da região mais quente do combustível, proporcionando um meio para melhorar o aquecimento e possivelmente a eficiência da reação. “É como uma manga grossa de poliestireno que mantém seu café quente sem queimar sua mão”, diz John Moody, do National Ignition Facility (NIF) do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), na Califórnia. Na presença de um campo magnético, os elétrons no plasma são forçados a seguir caminhos helicoidais ao longo das linhas do campo magnético, colidindo uns com os outros com menos frequência. Esse comportamento diminui o fluxo de calor para o combustível circundante mais frio e fornece calor adicional no ponto quente.

LLNL

Fusão liliputiana. O cilindro, ou “hohlraum”, contendo a pastilha de combustível tem alguns milímetros de largura.

Os pesquisadores do LLNL usaram simulações de computador para investigar os potenciais benefícios de desempenho da magnetização para o NIF, o maior experimento de ICF do mundo e o que mais se aproximou do objetivo de produzir mais energia do que ela não consome. Os resultados da OMEGA provaram o conceito básico, mas não puderam ser aplicados diretamente ao NIF, porque o NIF usa um projeto chamado de acionamento indireto, no qual pulsos de laser aquecem tanto um cilindro de ouro oco que ele brilha. ilumina e aquece a cápsula de combustível, localizada dentro do cilindro, e faz com que a cápsula imploda.

Expor um cilindro dourado a um forte campo magnético geraria correntes elétricas em suas paredes que o destruiriam (ver Tendência: Aumentar o rendimento da fusão de contenção inercial com combustível magnetizado). Para contornar esse problema, Moody e seus colegas fizeram experimentos com ligas para criar um cilindro de metal com baixa condutividade elétrica. Eles descobriram que uma liga de ouro e tântalo (AuTa4) poderia tolerar o alto campo magnético.

A equipe do NIF realizou experimentos usando um cilindro feito dessa liga com uma cápsula de combustível cheia de deutério puro, uma forma de hidrogênio. Eles aplicaram um campo magnético de 26 Tesla passando uma corrente através de uma bobina de fio enrolada ao redor do cilindro, pouco antes de ligar os lasers. Em comparação com experimentos sem campo magnético, a temperatura do ponto quente gerado pelo laser aumentou 40%. A produção de energia, medida pela contagem do número de nêutrons produzidos durante a fusão, foi multiplicada por 3. Segundo Pascal Loiseau, físico de plasma da Comissão Francesa de Energias Alternativas e Energia Atômica (CEA), esses resultados são “notáveis” e constituem uma prova de conceito para assistência magnética no NIF.

Para reduzir o risco do equipamento e reduzir as despesas com infraestrutura, a equipe do NIF simplificou a configuração desses primeiros experimentos. Eles reduziram a potência do laser, mantiveram o combustível à temperatura ambiente e usaram apenas deutério. Em futuros experimentos de alta potência que usam duas formas de hidrogênio (deutério e trítio), Moody antecipa um segundo efeito que aumentará o desempenho. As partículas de alta energia geradas durante as reações nucleares serão aprisionadas pelas linhas de campo. Essas partículas carregadas gastarão mais tempo depositando energia no ponto quente, fornecendo mais calor antes de escapar.

–Rachel Berkowitz

Rachel Berkowitz é a editora correspondente do revisão de física com sede em Vancouver, Canadá.

Referências

  1. JD Moody et ai.“Aumento da temperatura de íons e rendimento de nêutrons observados em motores de acionamento indireto magnetizado
    D2

    – implosões de cápsulas cheias na Instalação Nacional de Ignição”, Física Rev. Lett. 129195002 (2022).


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