Jonathan Tennenbaum – 12 de maio de 2020
Sonho de hidrogênio-Boro - BÔNUS: O Professor Heinrich Hora explica porque é que um reator de fusão viável está próximo. Imagem de capa: Estrutura subnuclear do núcleo de um átomo de silício.
Um dos principais especialistas mundiais em fusão a laser. O físico australiano Prof. Heinrich Hora, propôs um novo tipo de reator nuclear que promete fornecer uma geração altamente eficiente e sem radioatividade de energia elétrica, com reservas praticamente ilimitadas de combustível. O projeto usa lasers de ultra-alta-potência, pulsado ultra-curto para desencadear reações de fusão entre núcleos de hidrogênio e boro. Hora acredita que um protótipo do reator pode estar funcionando dentro de uma década.
Nas partes anteriores desta série, Jonathan Tennenbaum introduziu os leitores ao novo conceito do reator e ao seu fascinante fundo científico e tecnológico.
É apropriado concluir esta série com uma entrevista com Heinrich Hora, conduzida por Jonathan Tennenbaum em março deste ano.
Tennenbaum: A primeira realização experimental da energia de fusão aconteceu há 70 anos, com a explosão da primeira bomba de hidrogênio. Por que razão ainda não aprendemos a utilizar a energia da fusão de forma controlada, para produzir energia para a humanidade? Hoje temos estes dispositivos experimentais gigantescos, a instalação Nacional de Ignição [National Ignition Facility – NIF – nota dos tradutores] de fusão laser nos Estados Unidos, e o Reactor Toroidal Experimental Internacional (International Torus Experimental Reactor – ITER) de fusão de confinamento magnético em construção em França. O ITER tem um preço oficial de US $ 20 bilhões, mas muitos esperam que ele suba para US $50 bilhões em 2035, quando iniciará experimentos em larga escala com combustível de deutério-trítio [ambos isótopos do elemento hidrogênio – nota dos tradutores]. Em 2040 pode ser possível começar a projetar um protótipo de reator. Caso se pretenda que essa seja a abordagem correta, então a geração prática de energia pelas reações de fusão está longe, de fato.
O que te faz pensar que pode ser feita muito mais rápido?
Hora: A maioria dos experimentos para a fusão são baseados no pressuposto de que é preciso temperaturas de várias centenas de milhões de graus celsius. A questão é, como é possivel atingir estas altas temperaturas?
A equação para um laser atuando sobre um alvo contém pressão, dada pela densidade e temperatura, mas há um segundo termo para a força ponderomotora produzida pelos campos elétricos e magnéticos do laser. (Hoje com lasers) você pode produzir campos muito altos por tempos extremamente curtos, de milionésimos de milionésimos de segundo, e pode-se produzir um petawatt (um milhão de bilhões de watts) ou múltiplos de um petawatt de potência. A partir disso, podem-se produzir forças a partir dos campos laser. Pode-se gerar pressões mais elevadas do que as pressões de mecanismos térmicos (ou seja, aquecimento). Esta é uma diferença essencial para tudo o que foi feito antes. De fato, a ideia de usar lasers para a fusão [existe] desde o início dos anos 1960, mas a energia laser iria para a energia térmica de um plasma esférico comprimido. Isto ainda era via temperatura.
Agora, os últimos resultados – que não foram medidos por nós, mas que compreendemos porque estivemos envolvidos em todos os tipos de pesquisa detalhada – é que agora a ignição pode ser feita com pulsos laser extremos. Isso sinaliza uma nova mensagem.
Tennenbaum: E isto ocorre sem aquecimento?
Hora: Realmente. (O pulso) produz a ignição, e a partir daí (calor) desenvolve-se no combustível de hidrogênio-boro à densidade moderada e produz reações, que então têm de ser confinadas por campos magnéticos ultra-elevados. Estes campos estão agora disponíveis. No Japão, a Fujioka produziu um kilo-tesla e campos superiores (utilizando pulsos laser). Estes campos são mais de 100 vezes mais intensos que os utilizados nos sistemas que operam sem lasers.
Tennenbaum: Como o ITER?
Hora: Sim. Uma experiência nova.
Tennenbaum: Como se tornou possível produzir pulsos laser de tão grandes potências, que podem ter sucesso com uma ignição não-térmica do combustível de hidrogênio-boro?
Hora: Isto tem uma história fascinante. O esquema de chamada amplificação de pulso trilado [Chirped Pulse Amplification – CPA – nota dos tradutores] de pulsos laser foi descoberto em 1985 por Gerard Mourou e Donna Strickland. Depois disso, as intensidades do laser subiram como um foguete.
Tennenbaum: Isso me lembra a famosa lei de Moore em microeletrônica.
Hora: Foi mais dramático.
Tennenbaum: Até agora, quando a fusão é discutida, as pessoas sempre pensam nos isótopos de hidrogênio deutério e trítio (DT). E tanto quanto sei, praticamente todos os reatores experimentais usam combustível DT. O trítio é radioativo e as reações DT produzem muitos nêutrons. A sua proposta, por outro lado, utilizaria o boro juntamente com o hidrogênio como combustível nuclear “limpo”. Por que é que isto não foi considerado antes?
Hora: A reação de deutério e trítio é a maneira mais fácil e mais rápida de fusão, mesmo para o experimento ITER com confinamento de campo magnético. A única maneira de realizar a fusão.
A reação de hidrogênio-boro é bem conhecida, mas é cerca de cinco ordens de magnitude mais difícil de processar usando o procedimento habitual de compressão e aquecimento. A taxa de reação é tão baixa que esta reação foi geralmente negligenciada.
Mas usando lasers com amplificação de pulso trilado, para o qual o Prêmio Nobel foi concedido, experimentos foram feitos agora que deram um bilhão de vezes mais reações hidrogênio-boro do que os valores frustrantemente muito baixos (obtidos anteriormente).
Obtém-se diretamente três partículas alfa sem resquícios radioativos. E as partículas alpha não se constituem em nenhum problema ambiental. Levando em conta a energia da reação nuclear, elas podem ser retardadas por campos elétricos para que a energia possa ser diretamente convertida em energia elétrica, sem conversores de calor e turbinas.
É tão simples como construir uma câmara esférica (reação), carregá-la à uma alta tensão e ter as partículas alpha fluindo para esta alta tensão e alterando sua energia em eletricidade.
Noventa por cento da energia nuclear seria convertida diretamente em eletricidade.
Tennenbaum: Mas como seriam produzidas as reações de fusão no reactor?
Hora: Por cinco ou seis anos fizemos cálculos [realizar a fusão hidrogênio-boro] da mesma forma que em todos os outros experimentos (fusão a laser): fazendo uma compressão esférica, e aquecendo com pulsos laser extremos. E acontece que não precisamos de um petawatt, mas de um exawatt – mil vezes mais potentes, e isto é algo muito distante. E então veio a simples ideia, de torná-la não esférica, mas confinar a reação em uma geometria cilíndrica. E só neste momento produzir os campos magnéticos mais altos usando outro laser, campos da ordem de kiloteslas. Estes campos são suficientes, por um curto período de tempo, para prender este volume cilíndrico com a reação.
Tennenbaum: Como é que a reação é desencadeada?
Hora: Por um pulso laser em vez de 192 pulsos laser [como é feito no NIF]. Precisamos apenas de um pulso, e todo o aparelho complicado não é necessário; apenas um único pulso que é extremamente curto e de potência extremamente alta. Um petawatt é tanto quanto todas as centrais de energia na Terra; no entanto, apenas por um período de um milionésimo de um milionésimo de segundo. E isso tem sido desenvolvido ao longo dos anos desde a descoberta feita por Donna Strickland e Gerard Moura.
Tennenbaum: Você enfatizou o papel dos blocos de plasma acelerados no processo de ignição. Pode explicar como isso funciona?
Hora: Esta é uma pergunta muito interessante. Podemos referir a cálculos feitos por Jean Louis Bobin em Paris e C. K. Chu da Universidade de Columbia em Nova Iorque. Se você tiver uma geometria plana [como na irradiação final de um alvo cilíndrico], quão curto devem ser os pulsos laser para iniciar a ignição? Estive envolvido muito cedo em cálculos numéricos na teoria das pulsações . Os cálculos resultaram no seguinte: para a ignição nesta geometria plana, a energia tem que ser em um pulso extremamente curto, na faixa de milionésimos de milionésimos de segundo. E neste plano – não é geometria esférica – ela inflama uma reação auto-sustentada que de fato produz altas temperaturas, mas por si só, no combustível. A interação do campo laser e do plasma gera, digamos, um bloco de plasma neutralizado, obtendo energia da luz, e movendo-se contra o combustível de fusão, acendendo as reações de fusão.
Tennenbaum: A que velocidade está movendo-se este bloco de plasma?
Hora: Cerca de 1.000 km por segundo. É interessante que estas sejam também as velocidades dadas no artigo do Google para os processos em H-bombs [bombas de hidrogênio]. [O artigo da Wikipedia “Arma termonuclear” dá a velocidade de implosão da fusão secundária da primeira bomba de hidrogênio, o dispositivo Ivy Mike, como cerca de 400 km por segundo – JT [Jonathan Tennenbaum] É divulgado lá, e pode-se comparar os números. E é interessante, que a geração de blocos de plasma [no reator de hidrogênio-boro] é obviamente de um tipo semelhante, mas de forma totalmente controlada, para uma central elétrica. Nada pode explodir, nada pode derreter como num reator [de fissão] de urânio. Isto é seguro e controlado de uma forma fácil e barata.
Tennenbaum: Qual o tamanho que tal usina teria que ter? A usina poderia ser relativamente pequena? Ou teria que ser tão grande quanto uma usina nuclear atual?
Hora: Não, em vez das usinas de gigawatts, poderia cair para 100 megawatts, talvez 50 ou até menos. Temos um design completo, para o qual temos patentes concedidas nos Estados Unidos, Japão e China.
Tennenbaum: E o laser?
Hora: Felizmente, esses tipos de lasers agora estão disponíveis nas empresas, você pode comprá-los, mas, na verdade, eles precisam ser desenvolvidos especificamente para serem muito mais baratos e custarem não US $ 50 milhões, mas muito menos por meio de uma produção padronizada. Tudo isso é factivel.
Tennenbaum: Em outras palavras, os parâmetros técnicos necessários para os lasers já estão essencialmente na esfera comercial?
Hora: Exatamente no mesmo nível. Uma empresa líder está na França, mas os principais líderes estão na Universidade de Austin, Texas. Eles podem gerar um pulso por minuto. Enquanto em Livermore [com NIF], eles podem fazer dois pulsos por dia.
Tennenbaum: Mas para o reator, você precisaria de uma taxa de pulso muito mais alta?
Hora: Uma frequência de pulso mais alta caindo para um por segundo ou dois segundos, cinco segundos. Isso pode ser otimizado de acordo com o que se deseja.
Tennenbaum: Você poderia dizer algo sobre a economia?
Hora: Desde que os esforços científicos nesta via não encontrem dificuldades desconhecidas, então esses reatores podem estar no mercado em oito anos.
Tennenbaum: Dentro de oito anos?
Hora: Ter um protótipo disponível a partir do qual você possa produzir para o mercado. Existem montanhas de boro, poderíamos fornecer energia à humanidade por milhares de anos.
Tennenbaum: Qual seria a ordem de magnitude do investimento necessário para construir um protótipo de usina de hidrogênio-boro?
Hora: Um protótipo custaria cerca de 100 milhões. Isso é tão pouco dinheiro, que é suspeito! Mas será nesta ordem de magnitude. Mas existem muitos componentes que podem ser muito mais baratos em quantidade e assim por diante. Pode-se dizer com certeza que um quilowatt-hora custará de um quinto a um décimo do preço mais baixo atual.
Tennenbaum: Nos últimos 10 anos, você publicou muitos artigos científicos sobre a fusão hidrogênio-boro e posso ver que você tem uma lista muito impressionante de co-autores dos Estados Unidos, China, Alemanha, França, Israel, República Tcheca e eles incluem o vencedor do Prêmio Nobel Gérard Mourou. Quão forte é o interesse e o apoio da comunidade científica por sua ideia, agora? Ou algumas pessoas estão dizendo “isso é loucura”?
Hora: Bem, eu mencionei as medições em Praga. Antes disso, um experimento semelhante com hidrogênio-boro foi realizado na École Polytechnique de Paris. O primeiro bom experimento produzindo reações de hidrogênio-boro foi feito por Belyaev e seus colegas em 2005, perto de Moscou. Christine Labaune deu, com a sua experiência em Paris, um grande passo à frente e depois vieram os resultados de Praga. Pudemos, então, pedir a alguns ex-alunos e físicos consagrados que acompanhassem os cálculos que publicamos em artigos com um grande número de pessoas de todo o mundo, para confirmar nosso progresso passo a passo.
Tennenbaum: Então você tem uma espécie de comunidade internacional ao seu redor que seria atraída para o projeto ou que está disponível para responder a várias perguntas e participar desse esforço?
Hora: Sim, definitivamente.
Tennenbaum: Qual é o próximo passo, do seu ponto de vista?
Hora: Sabendo quais seriam as dificuldades se fôssemos ao governo e disséssemos, por favor, nos dê o dinheiro para fazer a pesquisa – precisaríamos de um ano de discussões, e as pessoas que não são totalmente qualificadas teriam o poder de dizer “isto é absurdo”. A outra forma é encontrar investidores e usar os laboratórios de alto nível existentes em todo o mundo e dar-lhes tarefas de forma terceirizada. Temos que pagar por isso. Temos uma série de consultores muito conhecidos para otimizar essa pesquisa terceirizada. É assim que tentamos proceder. Esperançosamente, isso irá em frente. Nos últimos três anos, tivemos boas notícias. Nas últimas semanas, tivemos boa publicidade na mídia. Espero que, apesar de todos os outros problemas mundiais, possamos realmente obter apoio de investidores e terceirizar experimentos. Os resultados recentes de Praga me deixam ainda mais otimista do que antes. [Veja “Fluxo de alta corrente de partículas energéticas α da fusão próton-boro conduzida por laser” por Lorenzo Giuffrida et al., Physical Review E 101 (2020) 013204, especificamente o último parágrafo da Seção 1 e Figura 9]
(Mais informações sobre o reator de hidrogênio-boro proposto, incluindo referências científicas, podem ser encontradas no site. Um bom resumo com uma extensa bibliografia também é fornecido pelo artigo de 2018 “Pulsos de laser extremos para ignição por fusão não térmica de hidrogênio-boro para energia limpa e de baixo custo “por H. Hora et al. publicado na revista Laser and Particle Beams, Volume 36, Issue 3, September 2018, disponível na internet; e “Pressure of picosegond CPA laser pules substitute ultrahigh Thermal pressures para inflamar a fusão”, por H. Hora et al., High Energy Density Physics 35, 2020, Artigo 100739).
Jonathan Tennenbaum recebeu seu PhD em matemática pela Universidade da Califórnia em 1973, aos 22 anos. Também físico, linguista e pianista, ele é um ex-editor da revista FUSION. Mora em Berlim e viaja com frequência para a Ásia e outros lugares, como consultor em economia, ciência e tecnologia.
Fonte: https://asiatimes.com/2020/05/meet-the-father-of-the-hydrogen-boron-laser-fusion-reactor/
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