Máquina Z de fusão nuclear e energia limpa

Os últimos ecos do Esfinge

por Julien Geffray

21 de maio de 2007

Como, nos últimos doze meses, os americanos estão acelerando e os franceses estão se desacelerando.

Vamos voltar um pouco ao ano passado: em março de 2006, os laboratórios Sandia nos Estados Unidos anunciaram uma descoberta surpreendente: a máquina Z gerou acidentalmente 3,7 bilhões de graus (veja o anúncio original em inglês). Temperatura extremamente alta nunca antes alcançada, cem vezes mais quente que o núcleo do Sol, sete vezes mais quente que o núcleo de uma bomba de hidrogênio, e quatro vezes superior às previsões teóricas sem explicação real. Com uma temperatura tão alta, uma nova via foi aberta para a fusão nuclear controlada, não apenas de isótopos de hidrogênio como definido classicamente nos projetos sucessivos dos tokamaks, como o ITER, ou dos lasers do tipo Megajoule, mas especialmente algo totalmente novo: duas reações nucleares impossíveis de considerar antes: lítio-hidrogênio (requerindo no mínimo 500 milhões de graus) e boro-hidrogênio (a partir de um bilhão de graus). Essas duas reações nucleares particulares são praticamente isentas de radioatividade - exceto algumas reações secundárias parásitas, insignificantes - e ofereceriam centrais nucleares poderosas e totalmente não poluentes, utilizando como combustíveis elementos puros e muito abundantes na Terra. Em resumo, a solução energética esperada por nosso planeta doente de sua poluição crescente.

Ao longo do ano de 2006, a máquina Z e as possibilidades previstas foram descritas por Jean-Pierre Petit de forma simplificada:

• Uma Luz de Esperança neste Mundo de Brutos
• A máquina Z de Sandia - A fusão sem poluição nem radioatividade ao alcance da mão!
• Análise do artigo de Malcom Haines publicado na Physical Review Letters
• 3,7 bilhões de graus e todos se importam
• Algumas esclarecimentos (FAQ)
• Carta aberta a Nicolas Hulot
• Carta aberta aos políticos

A existência de uma máquina equivalente francesa, embora menos potente, também foi destacada: a ECF do Centro de Experimentação Militar de Gramat (CEG) localizado no Lot. ECF significa "Experiência de Compressão de Fluxo", mas na verdade a máquina é apelidada de Esfinge.

Múltiplas tentativas foram feitas para impulsionar os meios de comunicação nacionais a abordar esse assunto e os políticos a se interessarem por ele, sem sucesso real (um artigo no webzine Futura-Sciences e apenas uma breve notícia em Science & Vie e Sciences et Avenir). Um artigo de divulgação pública publicado na internet no fórum Agoravox teve pouco impacto. Contatos com políticos foram tentados. Um cientista de alto nível, responsável na Rússia por questões relacionadas à fusão nuclear, até aceitou apoiar a iniciativa de sensibilização tentada por JPP e um de seus colegas, um "ex-dos testes nucleares", escrevendo uma carta assinada para entregar pessoalmente, explicando o interesse dessa pesquisa e chegando a sugerir uma colaboração franco-russa no setor! Mas a quem entregar essa carta na França (seria necessário um responsável científico próximo dos políticos) se ninguém estiver disposto ou capaz de ouvir esse discurso?

Infelizmente, essas tentativas permaneceram sem resposta. Por duas razões:

1. Estudos sobre fusão por "z-pinch" ou, em francês, "compressão magnética", são vistos, especialmente do ponto de vista dos orçamentos alocados, como entrando em concorrência direta com o projeto ITER, uma solução muito diferente implantada no nosso país. Os especialistas franceses em compressão magnética são, de fato, poucos para fazer ouvir sua voz, e desapontados, alguns deles até saíram para trabalhar nos EUA na... máquina Z dos laboratórios Sandia.
2. Essas pesquisas são "potencialmente proliferantes". Em outras palavras, elas podem levar à realização de armas nucleares de nova geração. Nesse caso, a explosão da bomba H não seria mais acionada por uma pequena bomba A clássica, difícil de produzir. Em vez dessa "fagulha": um sistema compacto derivado da máquina Z, muito mais fácil de conceber para qualquer país e, acima de tudo, escapando a qualquer controle, pois usando apenas "eletrônica de potência simples". A famosa etapa de enriquecimento do urânio, causa de graves problemas geopolíticos, mas que permite um controle relativo da proliferação, tornar-se-ia, de fato, inútil.

O objetivo evidente de todo esse alvoroço era abrir o Esfinge para os pesquisadores civis, enquanto essa máquina Z francesa é exclusivamente reservada para engenheiros militares. Na atual situação, sua capacidade de 2,5 a 5 milhões de ampères é incapaz de gerar a temperatura da máquina Z americana, que entregava 18 milhões. Mas um tal equipamento pode ser atualizado relativamente facilmente. A máquina Z de Sandia foi, de fato, desmontada em setembro de 2006 para passar por uma reforma que aumentou em 50% suas capacidades. É o programa ZR (para "Z Refurbished") que deverá estar plenamente operacional no verão de 2007, com uma intensidade elevada a 27 milhões de ampères, ainda entregues em 100 nanossegundos. Espera-se que as temperaturas alcançadas por esse meio cresçam ainda mais. E, como veremos mais adiante, os americanos não vão parar por aí: já fixaram uma nova técnica para atingir os 60 milhões de ampères.

Oficialmente, há alguns meses os militares franceses não sabiam bem como agir. De um lado, essas pesquisas parecem muito promissoras, mas o CEG não tem realmente pesquisadores capazes de explorar esse novo terreno em um plano fundamental. De outro lado, a DGA quer controlar totalmente essas pesquisas para, eventualmente, colocar o selo de segredo de defesa, caso algo importante saia delas. É também um receio que se pode ter em relação aos laboratórios Sandia, geridos na realidade pelo Ministério da Defesa e pelo exército americano (os fundos vêm da NNSA, a National Nuclear Security Administration)... e é exatamente por isso que é interessante conduzir outras pesquisas independentes em outro lugar. Dilema: como abrir o Centro Militar de Gramat para os civis?

A resposta, deprimente para alguns ou simples constatação bem previsível para outros, foi dada pelo jornalista Matthieu Quiret na edição de 16 de maio de 2007 do jornal econômico Les Échos, acessível online no endereço:

http://www.lesechos.fr/info/metiers/4576329.htm

e cujo conteúdo reproduzimos aqui (o trecho interessante está em vermelho):

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Les Échos

de 16 de maio de 2007

Competências

NUCLEAR

A máquina Z francesa ignora a energia

Pequeno "Esfinge".

No meio do Quercy, no Centro de Estudos de Gramat (CEG), a DGA explora desde alguns anos uma pequena máquina Z francesa (2,5 milhões de ampères), batizada de "Esfinge". Como sua irmã mais velha americana, ela serve principalmente para testar a resistência das cabeças nucleares.

Ao contrário dela, ela não conhecerá experimentações civis. Há alguns anos, os pesquisadores de Gramat haviam lançado algumas sugestões à sua tutela militar para diversificar seus estudos, sem sucesso.

Interrogado por "Les Echos", o muito "feroz" CEG afirma hoje não ter nenhum projeto energético.

Essa timidez de investimento preocupa os especialistas em compressão magnética.

As competências francesas nesse gênero de eletricidade de potência estão ameaçadas, afirma um deles.

Na Grã-Bretanha, uma máquina equivalente, a Magpie do Imperial College (1,4 milhão de ampères), trabalha ativamente na compressão magnética, especialmente com fundos americanos. Não é potente o suficiente para atingir os objetivos nucleares da máquina Z, mas é usada pelos americanos para complementar suas pesquisas sobre a compressão em si. Os russos também estão prestes a investir nesse tema de pesquisa.

Agora, pelo menos, sabemos claramente o que esperar. Apesar das competências que a França possui e da ajuda oferecida pelos russos, o exército decidiu: não haverá pesquisa civil francesa sobre fusão por compressão magnética.

Enquanto isso, onde os americanos estão e para onde vão? No mesmo número do jornal Les Échos, como contraste com a evocação do bloqueio de toda pesquisa francesa no setor, a fusão nuclear controlada do hidrogênio por meio da máquina Z é amplamente divulgada em um segundo artigo intitulado "Nuclear: a máquina Z americana desafia o Iter" que você pode ler no endereço:

http://www.lesechos.fr/info/metiers/4576219.htm

Reproduzimos aqui a ilustração desse artigo:

**Como a máquina Z americana funde os isótopos de hidrogênio
(reação deutério-deutério gerando nêutrons moderadamente energéticos a 2,45 MeV)

É a técnica indireta já antiga do "hohlraum", do "forno de raios X" comprimindo e aquecendo uma cápsula contendo isótopos de hidrogênio até a fusão, graças a uma espuma especial e uma gaiola de fios de tungstênio. A experiência foi bem-sucedida pela primeira vez em 7 de abril de 2003 na máquina Z (comunicado de imprensa). A abordagem direta sem recorrer à técnica do hohlraum, por ultra-alta temperatura, de reações nucleares puras, pois liberando praticamente nenhum nêutron (lítio-hidrogênio ou boro-hidrogênio), graças à técnica recente da gaiola de fios de aço inoxidável (3,7 bilhões de graus no final de 2005) ainda não é mencionada. Mas a ideia da fusão por compressão magnética começa a ganhar espaço nos meios de comunicação franceses.

Até agora (1996-2006), a máquina Z dos laboratórios Sandia era esta:

A máquina Z em corte. Observe o tamanho do tanque marrom e o comprimento das linhas de água azuis.

Extensão: 33 metros. E quando a corrente é ativada, veja os arcos elétricos que se propagam na superfície do grande tanque isolante de óleo e água:

Curto-circuitos correndo na superfície da máquina Z, entre partes metálicas emergentes

As "linhas de água" permitem aumentar a potência entregue na meta, comprimindo no tempo o impulso elétrico inicial (da ordem de algumas microsegundos) entregue pelos geradores de Marx periféricos, de tal forma que o pulso final entregue na gaiola de fios no centro dura apenas 100 nanossegundos.

Pergunta: como aumentar a potência? Várias possibilidades:

Uma primeira resposta é dada mecanicamente com ZR em 2007: mantém-se o mesmo método, mas melhoram-se os elementos constitutivos. Por exemplo, ainda há 36 geradores de Marx do mesmo tamanho dos antigos, mas com capacitores armazenando o dobro de energia. O disparador a laser de gás de 4 joules comum aos 36 comutadores é substituído por 36 disparadores a laser individuais. As linhas de transmissão com isolamento a água são verticais e triplacas (horizontalmente duplas antes) menos espaçosas e geram menos bolhas, etc.

Nada impede, posteriormente, "empilhar todos esses elementos". Multiplicando por dois a altura do tanque, um "duplo ZR" daria mecanicamente 54 milhões de ampères.

O especialista francês Mathias Bavay, que emigrou para os EUA na Sandia por não ter obtido os créditos solicitados na França em Gramat, imaginou uma máquina Z capaz de entregar imediatamente 60 milhões de ampères em 100 nanossegundos, graças a uma inteligente autocompressão de fluxo magnético usando dois liners coaxiais, sem explosivo (para detalhes, veja a explicação simplificada de sua tese).

Jean-Pierre Petit, por sua vez, sugeriu substituir o conjunto volumoso "geradores de Marx + linhas condutoras + tanque" por um gerador de compressão de fluxo com explosivo, dispositivo ultra compacto gerando 100 milhões de ampères, inventado por Andrei Sakharov nos anos 50 (gerador MK-2) ou uma variante mais aprimorada (como o gerador de discos DEMG, mais rápido). Os russos são, de fato, especialistas no "alta potência pulsada". Leia a página Os princípios básicos das máquinas MHD russas.

O desenho abaixo é apenas esquemático. É uma simples manipulação "para laboratório de universidade ou Grande Ecole", com o objetivo de realizar uma primeira abordagem dessas questões. O gerador de Sakharov, com seu solenóide, pode dar intensidades elétricas muito altas, mas o tempo de descarga é muito longo. Para descobrir um gerador com explosivo ultra-rápido, veja o DEMG russo, incrivelmente inteligente (veja no meio dessa página).

Montagem esquemática evocando um acoplamento entre uma máquina Z e um gerador de Sakharov
À direita: o gerador MHD por indução, simples solenóide envolvendo a meta. Embaixo: o comutador com rivetagem ultra-rápida, impulsionado por explosivo

Mas outra via promissora para a fusão por compressão magnética dentro de uma máquina Z parece agora se desenhar nos Estados Unidos, com o apoio dos russos: o gerador LTD (Linear Transformer Driver) cujos avanços muito rápidos foram anunciados com grande ênfase pelos laboratórios Sandia em abril de 2007. Leia a respeito:

A máquina Z reforçada pelo LTD --- ---