A fusão hidrogênio-boro pode ser um
sonho tornado realidade
A promessa empolgante de 'luz extrema' está reescrevendo as regras da fusão nuclear
A promessa empolgante de 'luz extrema' está reescrevendo as regras da fusão nuclear
por Jonathan Tennenbaum 19 de abril de 2020
Uma microexplosão por fusão a laser. Foto:
Departamento de Energia dos EUA
Os vários campos da ciência e da tecnologia estão tão intimamente conectados que um avanço em uma área pode desencadear rapidamente uma reação em cadeia de avanços em outras áreas. O "impossível" se torna possível, o difícil se torna fácil. Ideias abandonadas há muito como irremediavelmente difíceis de realizar, assumem repentinamente novas vidas.
A fusão hidrogênio-boro é um exemplo. Em princípio, a reação de fusão entre os núcleos de hidrogênio e boro poderia fornecer uma forma de energia nuclear altamente eficiente e isenta de radioatividade, com reservas de combustível praticamente ilimitadas. A reação não produz radiações penetrantes perigosas e nem resíduos radioativos, mas apenas partículas alfa estáveis, cuja carga elétrica permite ainda uma conversão direta da energia de fusão em eletricidade.
Estas vantagens são conhecidas há muito tempo, mas até recentemente as condições físicas consideradas necessárias para um reator de hidrogênio-boro - incluindo temperaturas de bilhões de graus Celsius - pareciam muito além do que se poderia esperar em um futuro próximo.
Enquanto isso, a situação mudou radicalmente, graças ao desenvolvimento de sistemas a laser que podem gerar pulsos ultra-curtos na faixa de alguns femtossegundos (um femtossegundo é igual a um milionésimo de bilionésimo de segundo) e a descoberta de um método para amplificar esses pulsos por fatores de um trilhão ou mais.
O método é chamado de amplificação de pulso chilreado (CPA), pelo qual seus descobridores, Gérard Mourou e Donna Strickland, receberam o Prêmio Nobel em 2018. Com a ajuda da CPA, é possível concentrar energia suficiente em um pulso ultra-curto para que atiinja potências na faixa de petawatts (um milhão de bilhões de watts, ou 1015 watts). Isso é mais de 100 vezes a potência de todas as centrais elétricas do mundo combinadas - embora apenas por um pequeno instante de tempo.
No foco desse pulso de laser são alcançadas intensidades de luz da ordem de milhares de bilhões de bilhões de watts por centímetro quadrado, comparáveis às que obteríamos se toda a energia que chegasse à Terra vinda do Sol estivesse concentrada em um único milímetro. Os físicos chamam isso de "luz extrema".
O que importa não são os números surpreendentes, mas o fato de que coisas totalmente novas acontecem quando esses pulsos de laser interagem com a matéria. A luz extrema é uma das áreas mais emocionantes da física básica e aplicada, com implicações revolucionárias para o futuro da tecnologia.
Acima de tudo, a luz extrema está reescrevendo as regras da fusão nuclear.
A abordagem do uso de lasers para desencadear reações de fusão vem sendo investifada há quase meio século. O conceito básico é bombardear um minúsculo pellet esférico de combustível de todos os lados por pulsos simultâneos de energia, fazendo com que o pellet se comprima para altas densidades e aqueça até as temperaturas necessárias para que ocorram reações de fusão. Uma combinação de temperatura super alta e densidade super alta é necessária para alcançar a chamada ignição - uma condição na qual o processo de reação se torna auto sustentado, resultando em uma "micro explosão" eficiente, liberando grandes quantidades de energia.
A busca dessa abordagem geral levou à construção do maior laser do mundo, o National Ignition Facility (NIF) de mais de US $ 3 bilhões no Laboratório Nacional Lawrence Livermore dos EUA.
O NIF opera não com a reação hidrogênio-boro, mas com a reação entre os isótopos de hidrogênio deutério (D) e trítio (T), que é muito mais fácil de obter. A reação D-T requer temperaturas "apenas" em torno de 100 milhões de graus (1011 graus) e possui taxas de reação muito mais altas que o hidrogênio-boro. Infelizmente, apesar de algumas realizações sólidas, o NIF falhou em atingir seu objetivo designado de alcançar a "ignição". As perspectivas de usinas de fusão a laser comercialmente viáveis, baseadas na abordagem NIF, retrocederam ainda mais para o futuro.
Dado que a reação hidrogênio-boro é incomparavelmente mais difícil de realizar do que o D-T, e o D-T tem se mostrado tão difícil teimosamente, por que estamos falando sobre hidrogênio-boro?
A razão é que o novo comportamento da matéria sob o impacto da “luz extrema” possibilita uma estratégia de atalho para atingir a ignição de uma mistura hidrogênio-boro sem ter que se preocupar em aquecê-la e compactá-la. O NIF e instalações similares para fusão a laser não foram projetadas para explorar os fenômenos relevantes.
Em palavras mais diretas: pegamos uma pequena quantidade de combustível, moldada na forma de um cilindro, e golpeamos em uma extremidade com um pulso de laser. Acontece que, quando um pulso de laser é suficientemente curto, suficientemente poderoso e tem uma forma suficientemente "limpa", muito pouca energia é aplicada no aquecimento. Em vez disso, o principal efeito é acelerar as camadas expostas do combustível a velocidades super altas - 1.000 quilômetros por segundo ou mais.
Por um mecanismo não linear, a energia do pulso do laser é convertida com alta eficiência em movimento direcionado dos elétrons e núcleos do combustível, em vez do movimento aleatório associado ao calor. De maneira análoga a um feixe de partículas, mas com trilhões de vezes maior densidade, uma camada de combustível acelerada interiormente colide com o combustível adjacente, provocando uma avalanche de reações hidrogênio-boro, resultando em uma "onda de queima" de alta temperatura que se propaga através do eixo do cilindro.
O inventor dessa estratégia, o físico australiano e especialista em fusão a laser de longa data Prof. Heinrich Hora, pode apontar para uma longa série de experimentos e cálculos teóricos que sustentam sua abordagem. Isso inclui experimentos de vários grupos de pesquisa internacionais, demonstrando a geração real de reações hidrogênio-boro por pulsos de laser ultra curtos e de alta potência. Nos últimos anos, o número de reações detectadas vem crescendo aos trancos e barrancos. O mais recente deles, realizado na instalação de laser PALS em Praga, República Tcheca e relatado no início deste ano, produziu mais de 10 bilhões de reações, com o caminho aberto para melhorar o rendimento em outras ordens de magnitude.
O professor Heinrich Hora apresentou um roteiro de pesquisa e desenvolvimento para a construção de um protótipo de usina hidrogênio-boro nos próximos 8 a 10 anos
Embora ainda haja muitas perguntas a serem respondidas, parece que o sonho de um reator de fusão hidrogênio-boro tem uma séria chance de se tornar realidade.
Hora apresentou um roteiro de pesquisa e desenvolvimento destinado a construir um protótipo de usina hidrogênio-boro nos próximos 8 a 10 anos. Esse protótipo seria muito menor e muito mais simples de construir e operar do que usinas nucleares comuns e não apresenta problemas significativos de segurança. Segundo Hora, o preço seria de US $ 80 a 100 milhões. Isso são trocados comparado ao custo de construção de um protótipo para um novo projeto de reator de fissão. Tenha em mente que a fissão nuclear é uma tecnologia madura, com cerca de 450 reatores de potência em operação comercial (veja meu artigo: Energia nuclear em resgate: a França acertou); enquanto o hidrogênio-boro ainda está em estágio experimental.
Mas quem olhar para ele ficará impressionado com a estratégia, o roteiro e a cooperação científica de alto nível que começou a se formar em torno dele. A lista de coautores das publicações técnicas de Hora sobre a reação hidrogênio-boro inclui cientistas de renome de laboratórios a laser e centros nacionais de pesquisa nos EUA, China, Israel, Austrália, Irã, França, Itália, Espanha, República Tcheca e Polônia. As patentes foram concedidas nos EUA, China e Japão e estão pendentes na Europa. Hora fundou uma empresa, a HB11 Energy, que pretende arrecadar fundos para investidores e "distribuir" várias tarefas de pesquisa e desenvolvimento para instalações existentes em todo o mundo.
Nesta série de artigos, falarei primeiro sobre a reação nuclear hidrogênio-boro, seguida de alguns ABCs de fusão necessários, como funciona a tecnologia inovadora da amplificação de pulsos chilreados, a física básica da abordagem de Hora, o progresso experimental até o presente e, finalmente, o que seria um protótipo para um reator de fusão hidrogênio-boro. A série será completada por uma entrevista com o Prof. Heinrich Hora.
A série será acessível a um público geral, mas incluirá algumas informações que os leitores informados acharão interessantes.
Jonathan Tennenbaum recebeu seu PhD em matemática pela Universidade da Califórnia em 1972 aos 23 anos. Também físico, linguista e pianista de concertos, ele foi ex-editor da revista FUSION. Ele vive em Berlim e viaja frequentemente para a Ásia e outros lugares, como consultor em economia, ciência e tecnologia.
Os vários campos da ciência e da tecnologia estão tão intimamente conectados que um avanço em uma área pode desencadear rapidamente uma reação em cadeia de avanços em outras áreas. O "impossível" se torna possível, o difícil se torna fácil. Ideias abandonadas há muito como irremediavelmente difíceis de realizar, assumem repentinamente novas vidas.
A fusão hidrogênio-boro é um exemplo. Em princípio, a reação de fusão entre os núcleos de hidrogênio e boro poderia fornecer uma forma de energia nuclear altamente eficiente e isenta de radioatividade, com reservas de combustível praticamente ilimitadas. A reação não produz radiações penetrantes perigosas e nem resíduos radioativos, mas apenas partículas alfa estáveis, cuja carga elétrica permite ainda uma conversão direta da energia de fusão em eletricidade.
Estas vantagens são conhecidas há muito tempo, mas até recentemente as condições físicas consideradas necessárias para um reator de hidrogênio-boro - incluindo temperaturas de bilhões de graus Celsius - pareciam muito além do que se poderia esperar em um futuro próximo.
Enquanto isso, a situação mudou radicalmente, graças ao desenvolvimento de sistemas a laser que podem gerar pulsos ultra-curtos na faixa de alguns femtossegundos (um femtossegundo é igual a um milionésimo de bilionésimo de segundo) e a descoberta de um método para amplificar esses pulsos por fatores de um trilhão ou mais.
O método é chamado de amplificação de pulso chilreado (CPA), pelo qual seus descobridores, Gérard Mourou e Donna Strickland, receberam o Prêmio Nobel em 2018. Com a ajuda da CPA, é possível concentrar energia suficiente em um pulso ultra-curto para que atiinja potências na faixa de petawatts (um milhão de bilhões de watts, ou 1015 watts). Isso é mais de 100 vezes a potência de todas as centrais elétricas do mundo combinadas - embora apenas por um pequeno instante de tempo.
No foco desse pulso de laser são alcançadas intensidades de luz da ordem de milhares de bilhões de bilhões de watts por centímetro quadrado, comparáveis às que obteríamos se toda a energia que chegasse à Terra vinda do Sol estivesse concentrada em um único milímetro. Os físicos chamam isso de "luz extrema".
O que importa não são os números surpreendentes, mas o fato de que coisas totalmente novas acontecem quando esses pulsos de laser interagem com a matéria. A luz extrema é uma das áreas mais emocionantes da física básica e aplicada, com implicações revolucionárias para o futuro da tecnologia.
Acima de tudo, a luz extrema está reescrevendo as regras da fusão nuclear.
A abordagem do uso de lasers para desencadear reações de fusão vem sendo investifada há quase meio século. O conceito básico é bombardear um minúsculo pellet esférico de combustível de todos os lados por pulsos simultâneos de energia, fazendo com que o pellet se comprima para altas densidades e aqueça até as temperaturas necessárias para que ocorram reações de fusão. Uma combinação de temperatura super alta e densidade super alta é necessária para alcançar a chamada ignição - uma condição na qual o processo de reação se torna auto sustentado, resultando em uma "micro explosão" eficiente, liberando grandes quantidades de energia.
A busca dessa abordagem geral levou à construção do maior laser do mundo, o National Ignition Facility (NIF) de mais de US $ 3 bilhões no Laboratório Nacional Lawrence Livermore dos EUA.
O NIF opera não com a reação hidrogênio-boro, mas com a reação entre os isótopos de hidrogênio deutério (D) e trítio (T), que é muito mais fácil de obter. A reação D-T requer temperaturas "apenas" em torno de 100 milhões de graus (1011 graus) e possui taxas de reação muito mais altas que o hidrogênio-boro. Infelizmente, apesar de algumas realizações sólidas, o NIF falhou em atingir seu objetivo designado de alcançar a "ignição". As perspectivas de usinas de fusão a laser comercialmente viáveis, baseadas na abordagem NIF, retrocederam ainda mais para o futuro.
Dado que a reação hidrogênio-boro é incomparavelmente mais difícil de realizar do que o D-T, e o D-T tem se mostrado tão difícil teimosamente, por que estamos falando sobre hidrogênio-boro?
A razão é que o novo comportamento da matéria sob o impacto da “luz extrema” possibilita uma estratégia de atalho para atingir a ignição de uma mistura hidrogênio-boro sem ter que se preocupar em aquecê-la e compactá-la. O NIF e instalações similares para fusão a laser não foram projetadas para explorar os fenômenos relevantes.
Em palavras mais diretas: pegamos uma pequena quantidade de combustível, moldada na forma de um cilindro, e golpeamos em uma extremidade com um pulso de laser. Acontece que, quando um pulso de laser é suficientemente curto, suficientemente poderoso e tem uma forma suficientemente "limpa", muito pouca energia é aplicada no aquecimento. Em vez disso, o principal efeito é acelerar as camadas expostas do combustível a velocidades super altas - 1.000 quilômetros por segundo ou mais.
Por um mecanismo não linear, a energia do pulso do laser é convertida com alta eficiência em movimento direcionado dos elétrons e núcleos do combustível, em vez do movimento aleatório associado ao calor. De maneira análoga a um feixe de partículas, mas com trilhões de vezes maior densidade, uma camada de combustível acelerada interiormente colide com o combustível adjacente, provocando uma avalanche de reações hidrogênio-boro, resultando em uma "onda de queima" de alta temperatura que se propaga através do eixo do cilindro.
O inventor dessa estratégia, o físico australiano e especialista em fusão a laser de longa data Prof. Heinrich Hora, pode apontar para uma longa série de experimentos e cálculos teóricos que sustentam sua abordagem. Isso inclui experimentos de vários grupos de pesquisa internacionais, demonstrando a geração real de reações hidrogênio-boro por pulsos de laser ultra curtos e de alta potência. Nos últimos anos, o número de reações detectadas vem crescendo aos trancos e barrancos. O mais recente deles, realizado na instalação de laser PALS em Praga, República Tcheca e relatado no início deste ano, produziu mais de 10 bilhões de reações, com o caminho aberto para melhorar o rendimento em outras ordens de magnitude.
O professor Heinrich Hora apresentou um roteiro de pesquisa e desenvolvimento para a construção de um protótipo de usina hidrogênio-boro nos próximos 8 a 10 anos
Embora ainda haja muitas perguntas a serem respondidas, parece que o sonho de um reator de fusão hidrogênio-boro tem uma séria chance de se tornar realidade.
Hora apresentou um roteiro de pesquisa e desenvolvimento destinado a construir um protótipo de usina hidrogênio-boro nos próximos 8 a 10 anos. Esse protótipo seria muito menor e muito mais simples de construir e operar do que usinas nucleares comuns e não apresenta problemas significativos de segurança. Segundo Hora, o preço seria de US $ 80 a 100 milhões. Isso são trocados comparado ao custo de construção de um protótipo para um novo projeto de reator de fissão. Tenha em mente que a fissão nuclear é uma tecnologia madura, com cerca de 450 reatores de potência em operação comercial (veja meu artigo: Energia nuclear em resgate: a França acertou); enquanto o hidrogênio-boro ainda está em estágio experimental.
Mas quem olhar para ele ficará impressionado com a estratégia, o roteiro e a cooperação científica de alto nível que começou a se formar em torno dele. A lista de coautores das publicações técnicas de Hora sobre a reação hidrogênio-boro inclui cientistas de renome de laboratórios a laser e centros nacionais de pesquisa nos EUA, China, Israel, Austrália, Irã, França, Itália, Espanha, República Tcheca e Polônia. As patentes foram concedidas nos EUA, China e Japão e estão pendentes na Europa. Hora fundou uma empresa, a HB11 Energy, que pretende arrecadar fundos para investidores e "distribuir" várias tarefas de pesquisa e desenvolvimento para instalações existentes em todo o mundo.
Nesta série de artigos, falarei primeiro sobre a reação nuclear hidrogênio-boro, seguida de alguns ABCs de fusão necessários, como funciona a tecnologia inovadora da amplificação de pulsos chilreados, a física básica da abordagem de Hora, o progresso experimental até o presente e, finalmente, o que seria um protótipo para um reator de fusão hidrogênio-boro. A série será completada por uma entrevista com o Prof. Heinrich Hora.
A série será acessível a um público geral, mas incluirá algumas informações que os leitores informados acharão interessantes.
Jonathan Tennenbaum recebeu seu PhD em matemática pela Universidade da Califórnia em 1972 aos 23 anos. Também físico, linguista e pianista de concertos, ele foi ex-editor da revista FUSION. Ele vive em Berlim e viaja frequentemente para a Ásia e outros lugares, como consultor em economia, ciência e tecnologia.
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