A FUSÃO POR CONFINAMENTO INERCIAL

Princípio

Feixes de lasers ou de partículas são concentrados sobre a superfície de uma cápsula com alguns mm de diâmetro contendo uma pequena quantidade de combustível. A evaporação e a ionização da camada periférica da matéria conduzem à formação de uma coroa de plasma. A sua descompressão provoca uma expansão para o exterior, e, por "efeito de foguete" cria uma frente de compressão para o interior com um aquecimento progressivo das camadas internas. O núcleo do combustível é comprimido até mil vezes a densidade do líquido e a ignição ocorre quando a temperatura atinge cem milhões de graus. A combustão termonuclear estende-se rapidamente através do combustível comprimido, produzindo uma energia igual a várias vezes a depositada sobre a cápsula pelo sistema de feixes. As reações termonucleares têm lugar durante um tempo limitado pela própria inércia do combustível: daí a designação de fusão por confinamento inercial.

Métodos de iluminação da cápsula

Existem duas vias para depositar a energia dos feixes sobre a superfície da cápsula: a iluminação direta onde múltiplos feixes de lasers ou de partículas carregadas são enviadas para a cápsula, procurando-se a maior simetria possível; e a iluminação indireta onde a cápsula é colocada no interior de uma proteção metálica, sobre a parede da qual é depositada a energia dos feixes, produzindo-se um radiamento do tipo corpo negro que é absorvido pela cápsula.

Neste segundo método o radiamento é isotrópico, o que garante uma implosão com simetria esférica, o que é bastante mais dificil de obter com iluminação direta. Uma variante da iluminação indireta consiste em preencher a cavidade de matéria com baixo número atômico, que, aquecida a uma temperatura superior a um milhão de graus, se torna transparente aos raios-X, o que assegura uma uniformização radioativa do fluxo de energia.

• Sistemas de feixes para iluminação da cápsula
• Feixes laser


O primeiro sistema de feixes utilizado na investigação em fusão inercial, e o mais desenvolvido até hoje, é o laser. Impulsos lasers de elevada potência, com duração e forma variadas, e um comprimento de onda controlado, podem ser focalizados no espaço reduzido ocupado pela cápsula ou cavidade. No entanto, o seu fraco rendimento energético (alguns %) torna pouco provável a sua utilização num reator de fusão, a menos que se verifique uma melhoria importante do rendimento do bombeamento ótico. A instalação mais poderosa é a do laser NOVA (Livermore, USA) que produz uma energia de 40 kJ com um comprimento de onda de 351 mm.

Os resultados conhecidos mais avançados são de compressões que permitem atingir densidades cerca de 600 vezes a densidade do liquido D-T.

• Feixes de ions leves


Num acelerador eletrostático, uma excitação elétrica de elevada energia é progressivamente encurtada até tempos da ordem de 10^-9 a 10^-8 s. A excitação resultante de algumas dezenas de MV e alguns MA é aplicada a um díodo cujo ânodo emite o ion pretendido (H⁺, Li⁺); a eficácia estimada para tais sistemas é de 20 a 25%. Encara-se a possibilidade de efetuar impulsos de 30 MV com uma energia potencial de 1 MJ no acelerador PBF (Albuquerque, USA), e obtiveram-se densidades de potência de 1 TW/cm² com uma energia de 40 KJ no acelerador KALIF (Karlsruhe, RFA).

• Feixes de ions pesados


Uma taxa elevada de deposição de energia nos alvos, bem como uma grande experiência na tecnologia dos aceleradores, conduziu à concepção de experiências de fusão com ions pesados.

Por outro lado, demonstrou-se a obtenção de rendimentos elevados (várias dezenas de %) em longos períodos de exploração de aceleradores complexos.

A geração de impulsos intensos (alguns KA) e breves (10 ns) impõe a compressão temporal do feixe, entre a fonte e o alvo, por cinco ordens de grandeza. Um controlo baseado nos efeitos da importante carga espacial destes feixes é objeto de estudos teóricos e experimentais. A instalação do GSI (Darmstadt, RFA) permite o estudo de intensidades fortes com uma energia máxima de 20 MeV/nucleon, para ions de espécies variadas indo até ao urânio.

• Instabilidades provocadas por uma iluminação assimétrica


Durante a fase de aceleração da implosão, o contato entre o impulsor ("pusher"), de alta densidade e o fluido de baixa densidade em expansão pode terminar na instabilidade de Rayleigh-Taylor e as bolhas de combustível podem passar através do "pusher" e rasgá-lo. Têm sido desenvolvidos sistemas óticos sofisticados para a iluminação direta por laser.

• Alvos


Estes alvos consistem num micro-balão cheio com uma mistura deutério-trítio de baixa densidade. A parede é formada por multi-camadas de materiais com número atómico (Z) variável para garantir uma combustão com alto rendimento.


Deformação temporal de um alvo sob irradiação devida a inhomogeneidade da iluminação em ataque direto - simulação por computador de uma instabilidade RAYLEIGH - TAYLOR (ENEA - FRASCATI - I).

• Concepção de lasers e de aceleradores avançados


Se os lasers utilizando sólidos, - nomeadamente vidros de neodimio -, dominam atualmente a investigação, lasers utilizando gás (fluoreto de cripton, iodo) são promissores, não só pela gama de comprimentos de onda mas também pela eficácia. Eles são atualmente o objeto de desenvolvimentos intensos em muitos laboratórios.

Estudam-se numerosos sistemas de aceleradores com ions leves e com ions pesados para obter elevadas densidades de partículas no espaço de fase; um método explorado é o empilhamento de conjuntos de feixes em anéis de armazenamento. Na fase final, vários destes conjuntos (de algmas dezenas até centenas) serão extraídos desses anéis para serem dirigidos simultaneâmente sobre o alvo.