A ignição por fusão é o ponto em que uma reação de fusão nuclear torna-se auto-sustentável. Isso ocorre quando a energia liberada pela reação aquece a massa de combustível mais rapidamente do que ela resfria. Em outras palavras, a ignição por fusão é o ponto em que o crescente autoaquecimento da fusão nuclear remove a necessidade de aquecimento externo. Este fenômeno é quantificado pelo Critério de Lawson. A ignição também pode ser definida pelo fator de ganho de energia de fusão.
Em laboratório, a ignição por fusão definida pelo critério de Lawson foi alcançada pela primeira vez em agosto de 2021, e a ignição definida pelo fator de ganho de energia foi alcançada em dezembro de 2022, ambos pelo National Ignition Facility (NIF) dos EUA.
Pesquisa
A ignição não deve ser confundida com o breakeven (ponto de equilíbrio), um conceito semelhante que compara a energia total liberada com a energia usada para aquecer o combustível. A principal diferença é que o breakeven ignora as perdas para o ambiente, que não contribuem para o aquecimento do combustível e, portanto, não conseguem tornar a reação autossustentável. O breakeven é um objetivo importante no campo da energia de fusão, mas a ignição é necessária para um projeto prático de produção de energia.
Na natureza, as estrelas atingem a ignição em temperaturas semelhantes à do Sol, cerca de 15 milhões de kelvins. As estrelas são tão grandes que os produtos da fusão quase sempre interagem com o plasma antes que sua energia possa ser perdida para o ambiente externo. Em comparação, os reatores feitos pelo homem são muito menos densos e muito menores, permitindo que os produtos da fusão escapem facilmente do combustível. Para compensar isso, são necessárias taxas de fusão muito mais altas e, consequentemente, temperaturas muito mais elevadas; a maioria dos reatores de fusão artificial é projetada para operar em temperaturas acima de 100 milhões de kelvins.
A ignição por fusão foi alcançada pela primeira vez por seres humanos nos núcleos de armas termonucleares em detonação. Uma arma termonuclear usa uma "vela de ignição" de fissão nuclear convencional (U-235 ou Pu-239/241) para gerar altas pressões e comprimir uma haste de combustível de fusão (geralmente deutereto de lítio). O combustível atinge pressões e densidades suficientemente altas para inflamar, liberando grandes quantidades de energia e nêutrons no processo.
O National Ignition Facility no Laboratório Nacional Lawrence Livermore realiza experimentos de fusão por confinamento inercial acionados por laser que alcançam a ignição por fusão. Isso é semelhante a uma arma termonuclear, mas o NIF usa um sistema de laser de 1,8 MJ em vez de uma arma de fissão para comprimir o combustível, e utiliza uma quantidade muito menor de combustível (uma mistura de deutério e trítio, ambos isótopos de hidrogênio). Em janeiro de 2012, o diretor do NIF, Mike Dunne, previu em uma palestra no Photonics West 2012 que a ignição seria alcançada no NIF até outubro de 2012. Em 2022, o NIF havia alcançado a ignição.
Com base no projeto do reator tokamak, o ITER pretende sustentar a fusão principalmente por aquecimento interno e produzir em seu plasma um retorno de energia de dez vezes. A conclusão da construção está prevista para 2025.
Especialistas acreditam que alcançar a ignição por fusão é o primeiro passo para a geração de eletricidade usando energia de fusão.
Relatórios de ignição de 2021 e 2022 O National Ignition Facility no Laboratório Nacional Lawrence Livermore, na Califórnia, relatou em 2021 que havia acionado a ignição em laboratório em 8 de agosto de 2021, pela primeira vez nos mais de 60 anos de história do programa de fusão por confinamento inercial. O disparo rendeu 1,3 megajoules de energia de fusão, uma melhoria de 8 vezes em relação aos testes feitos no início de 2021. O NIF estima que o laser forneceu 1,9 megajoules de energia, dos quais 230 quilojoules atingiram a cápsula de combustível. Isso corresponde a um ganho científico total de energia de 0,7 e um ganho de energia da cápsula de 6. Embora o experimento tenha ficado abaixo da ignição conforme definida pela Academia Nacional de Ciências – um ganho total de energia maior que um – a maioria dos especialistas da área considerou o experimento como a demonstração da ignição conforme definida pelo critério de Lawson.
Em agosto de 2022, os resultados do experimento foram confirmados em três artigos revisados por pares: um na Physical Review Letters e dois na Physical Review E. Ao longo de 2022, os pesquisadores do NIF tentaram, sem sucesso, replicar o resultado de agosto. No entanto, em 13 de dezembro de 2022, o Departamento de Energia dos Estados Unidos anunciou via Twitter que um experimento em 5 de dezembro havia superado o resultado de agosto, alcançando um ganho científico de 1,5, superando a definição de ignição da Academia Nacional de Ciências.
Ver também Cronologia da fusão nuclear Fusão por confinamento inercial Laser Mégajoule Plasma em chamas
Referências
Ignição