Íons se comportam de forma estranha em reações de fusão nuclear

Em recente estudo, descobriu-se que átomos carregados, também conhecidos como íons, se comportam de maneira estranha durante as reações de fusão nuclear, de maneiras que os cientistas não esperavam.

De acordo com artigo publicado na revista Nature Physics, pesquisadores do National Ignition Facility (NIF) do Lawrence Livermore National Laboratory descobriram que, quando os íons deutério e trítio, que são isótopos de hidrogênio com um e dois nêutrons, respectivamente, são aquecidos usando lasers durante experimentos de fusão a laser, há mais íons com energias mais altas do que o esperado quando uma queima termonuclear começa.

“O processo de fusão por confinamento inercial (ICF) comprime pequena cápsula (raio de 1 mm) preenchida com camada de deutério e trítio congelados (isótopos de hidrogênio) envolvendo volume de gás deutério e trítio até um raio de cerca de 30 micrômetros. No processo, esses isótopos de hidrogênio ionizam e um plasma de elétrons, núcleos de deutério e trítio [é o resultado]”, disse Edward Hartouni, físico do NIF e coautor do artigo, à Newsweek.

“Este plasma é tão denso que as colisões dessas partículas carregadas (elétrons e íons) acontecem com muita frequência”, disse Hartouni. “Em baixas temperaturas, os íons geralmente se espalham elasticamente, como se fossem bolas de bilhar. Mas, conforme a temperatura do plasma aumenta, o que ocorre quando ele é comprimido, algumas dessas colisões resultam na fusão dos íons. A fusão libera energia tremenda.”

“Dos três tipos de fusão que podem ocorrer, a fusão dos íons deutério e trítio ocorre com mais frequência e libera a maior quantidade de energia”, continuou ele. “Essa energia está na forma de energia cinética que a fusão [produz], que para a fusão do deutério e do trítio é uma partícula alfa (o íon hélio) e um nêutron”, disse Hartouni.

Em essência, os lasers aquecem o combustível de hidrogênio a níveis enormes de energia, levando-os a colidir e se fundir para formar átomos de hélio – essa é a reação que alimenta o Sol. Essa reação também libera grandes quantidades de energia, que aquece ainda mais o combustível de hidrogênio.

Essa energia extra pode eventualmente alimentar a reação sem a necessidade dos lasers, tornando-se o que é conhecido como “plasma em chamas”. Este “acendimento” só foi conseguido pela primeira vez em 2021, também pelo NIF, em conquista marcante para o ramo.

“Se as condições forem adequadas, esse processo ‘desaparece’ e temos a queima termonuclear”, disse Hartouni. “O objetivo da pesquisa é estudar as condições que levam à queima termonuclear controlada, que pode ser tecnologia de produção de energia.”

“O objetivo da National Ignition Facility é estudar esse processo e aprender como criar essas condições. A NIF é a primeira instalação a atingir rotineiramente as condições de queima de plasma e permitir que os experimentos comparem com nossas expectativas teóricas. Esperamos ser surpreendidos em relação aos que não foram capazes de estudar plasmas em chamas experimentalmente”, disse Hartouni.

Os pesquisadores mediram a temperatura dos íons de combustível de deutério e trítio analisando a distribuição dos nêutrons que são lançados durante essas reações de fusão e descobriram que há mais íons com maior energia em reações onde um plasma ardente é alcançado em comparação com experimentos anteriores com não-queima de plasmas. Isso sugere, dizem os autores, que os íons se comportam de maneira diferente em plasma em chamas.

“Não sabemos a razão para isso no momento. Analisamos as fotos anteriores e vimos que nossas fotos mais ‘bem-sucedidas’ têm afastamento maior de nossa expectativa do que as fotos ‘malsucedidas’. A medida do sucesso é como grande o rendimento do disparo (medido no número de nêutrons produzidos) em comparação com o rendimento calculado. Desde o ponto de dados mais recente no artigo, disparos subsequentes com rendimentos mais altos e, portanto, queima termonuclear mais robusta, revelam que esse desvio do comportamento maxwelliano está ficando maior”, disse Hartouni.

Esses resultados são surpreendentes e mostram a importância do financiamento para pesquisas em um campo tão crescente, disse Stefano Atzeni, físico da Università di Roma “La Sapienza”, na Itália e autor de artigo publicado na Nature Physics News and Views.

“Esse resultado só foi possível graças a instrumentação extremamente sofisticada (e grande e cara). A principal lição aprendida com essas medições é que, quando novo ‘regime’ é inserido, é necessária pesquisa fundamental. As expectativas teóricas ajudam, mas devem ser confirmadas”, disse à Newsweek.

“Esses resultados deixam claro que não podemos tomar como garantidos nossos modelos, desenvolvidos para plasmas em diferentes condições. De modo mais geral, a lição é que não podemos confiar em grandes extrapolações de resultados anteriores.”

Os resultados também ajudarão a tornar os experimentos futuros de fusão mais precisos.

Via Newsweek

Imagem destacada: Yurchanka Siarhei/Shutterstock