Fuziunea nucleară proton-bor revine în lumina reflectoarelor

O tehnică condusă de laser ar putea reaprinde cercetarea în fuziunea protonilor și a nucleelor ​​de bor, care alcătuiesc cel mai seducător și provocator combustibil pentru generarea de energie din fuziunea nucleară.

În timp ce cercetătorii admit că acest tip de fuziune nu va fi folosit pentru a produce energie în curând, munca lor deschide noi căi pentru a explora ceea ce mulți fizicieni consideră combustibilul ideal de fuziune. „Sfântul Graal al Sfântului Graal este fuziunea proton-bor”, spune Steven Cowley, un fizician de fuziune la Imperial College din Londra, care nu a fost implicat în noua lucrare.

De la Proiectul Manhattan din anii 1940, oamenii de știință care urmăresc fuziunea nucleară s-au concentrat în primul rând pe combinarea a două varietăți de nuclee de hidrogen, deuteriu și tritiu. Acesta este combustibilul ales pentru bombele cu hidrogen și experimentele de producție de energie care încearcă să stoarce din reacțiile de fuziune mai multă energie decât este nevoie pentru a începe. Fizicienii nu au atins niciodată acest prag de rentabilitate în fuziunea controlată. În plus, hidrogenul are dezavantaje, inclusiv deficitul de tritiu (orice centrală potențială de fuziune ar trebui să o producă) și producția de neutroni. Neutronii pot face radioactive materialele obișnuite, iar energia lor este greu de captat.

Cu zeci de ani în urmă, acele neajunsuri i-au inspirat pe oamenii de știință să exploreze fuziunea protonilor cu bor-11, un nucleu de cinci protoni și șase neutroni. Reacția nu produce neutroni rătăciți, iar borul este mult mai ușor de obținut decât tritiul. Dar, în timp ce National Ignition Facility din Livermore, California, și alte centre de cercetare cultivă reacții de fuziune prin zdrobirea și încălzirea hidrogenului în speranța de a crea o ardere auto-susținută (SN: 20.04.13, str. 26), această abordare nu va funcționa pentru reacțiile proton-bor; au nevoie de temperaturi mult mai ridicate pentru a se aprinde. Nicio altă tehnică nu a determinat protonii și borul să fuzioneze în număr semnificativ, așa că cercetările au blocat.

În urmă cu trei ani, Christine Labaune, un fizician al plasmei la Centrul Național Francez pentru Cercetare Științifică, a făcut echipă cu Johann Rafelski, un fizician nuclear teoretic la Universitatea Arizona din Tucson, pentru a încerca o abordare diferită. Au instalat două lasere. Unul a accelerat un torent de protoni și electroni către o mică bucată de bor. Chiar înainte ca particulele să sosească, celălalt laser a lovit nodul, încălzindu-l și scoțând electronii de pe nucleele de bor pentru a forma o plasmă.

Labaune, Rafelski și colegii au raportat 8 octombrie în Comunicarea naturii că aproximativ 80 de milioane de protoni s-au fuzionat cu nuclee de bor în timpul celor 1,5 nanosecunde pe care le-a tras laserul din urmă. Aceasta este de cel puțin 100 de ori viteza de reacție a oricărui experiment anterior proton-bor, spun ei. Un beneficiu major al abordării, spune Rafelski, este că electronii accelerați cu laser ajung la plasma de bor chiar înainte de protoni. Echipa emite ipoteza că electronii trec prin bor și împing electronii din plasmă în afara drumului. Până când protonii ajung, ei au o șansă mai mare de a fuziona cu nucleele de bor, mai degrabă decât să piardă energie la electronii rătăciți.

Din păcate, toate aceste reacții de fuziune se adună la doar milijouli de energie – aproximativ o milioneme din energia laserelor. Samuel Cohen de la Princeton Plasma Physics Laboratory subliniază că, deoarece noua abordare necesită atât de multă energie pentru a accelera protonii, aproape 10% dintre acești protoni ar trebui să fuzioneze pentru a produce un surplus de energie; în experiment, nu mai mult de 1 din 300 de protoni fuzionați cu bor.

Labaune și Rafelski subliniază că nu își propun să folosească schema lor ca bază pentru proiectarea unui reactor nuclear. Dar ei spun că abordarea lor le oferă fizicienilor o nouă modalitate de a privi o problemă veche. Cohen este de acord că tehnica merită o explorare suplimentară.

Rafelski spune că echipa a observat rate de reacție mult mai mari în experimentele ulterioare. Între timp, el spune că ciocniri de protoni și plasmă similare cu cele din experiment au avut loc frecvent în primele câteva minute după Big Bang. Astrofizicienii ar putea folosi lasere pentru a simula modul în care s-au format primele elemente mai grele decât hidrogenul, spune el.