Electrohydraulic Shock-Induced Plasma Pinch Dynamics and Fast Neutron Generation Using Novel Composite Refractory Electrodes
Este estudo demonstra que eletrodos refratários compostos feitos de matrizes de carbeto de tungstênio/hidreto de lítio-6 (ou lítio-6 puro) consolidadas hidrostaticamente, quando submetidas a descargas de choque eletrohidráulicas em água pesada, geram condições de plasma extremas excedendo 100 GPa e 35 milhões de Kelvin que produzem um rendimento mensurável de nêutrons de 14,1 MeV e cinza de hélio, com ambas as configurações de hidreto e de lítio metálico exibindo assinaturas nucleares e térmicas equivalentes.
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No mundo extremo da física de altas energias, pesquisadores frequentemente buscam recriar as condições encontradas no interior profundo das estrelas ou dentro de armas nucleares, mas em uma escala minúscula e controlada. Para fazer isso, eles devem comprimir a matéria de forma tão violenta que ela se transforme em plasma, um estado superquente onde os átomos são despojados de seus elétrons. Uma maneira comum de alcançar isso é enviando uma enorme rajada de eletricidade através de um líquido, criando uma onda de choque que espreme o plasma resultante em um fio brilhante e apertado. Esse processo, conhecido como "pinch" (estrangulamento), gera calor e pressão intensos, às vezes altos o suficiente para desencadear reações nucleares. O desafio sempre foi encontrar materiais que possam sobreviver à explosão inicial de eletricidade sem desmoronar, enquanto também contêm os ingredientes específicos necessários para fazer essas reações nucleares acontecerem. Cientistas há muito lutam para misturar cerâmicas duras e resistentes ao calor com elementos leves e voláteis como o lítio, porque o calor geralmente faz com que eles se separem ou se quebrem antes mesmo de o experimento começar.
Uma equipe de pesquisadores da Ucrânia e dos Estados Unidos demonstrou agora uma maneira de superar essas barreiras usando um novo tipo de eletrodo feito de uma mistura especializada de carbeto de tungstênio e lítio. Eles começaram pegando pós de grau industrial de carbeto de tungstênio, um material famoso por sua dureza, e misturando-os com hidreto de lítio-6, um composto contendo um isótopo raro de lítio. Normalmente, tentar assar esses dois juntos falharia porque o composto de lítio vaporizaria muito antes de o cerâmico fundir. No entanto, a equipe usou uma prensa hidráulica massiva para espremer a mistura sob uma pressão de 7,6 gigapascais enquanto a aquecia. Essa pressão extrema atuou como um escudo, impedindo que o lítio escapasse e forçando os materiais a fundirem-se em um bloco sólido e nanoestruturado que era quase perfeito, com quase nenhum pequeno buraco em seu interior. Eles criaram duas versões desses blocos: uma contendo o composto de hidreto de lítio e outra contendo lítio metálico puro, apenas para ver se a forma química do lítio importava.
Esses novos eletrodos foram então colocados dentro de uma câmara preenchida com água pesada e submetidos a uma súbita rajada de alta voltagem de sub-microsegundo. Quando a eletria atingiu o eletrodo, ela vaporizou instantaneamente a superfície, criando um canal de plasma que foi imediatamente espremido por seu próprio campo magnético em um fio minúsculo e superdenso. Essa compressão foi tão violenta que gerou pressões superiores a 100 gigapascais, o que é mais de um milhão de vezes a pressão da atmosfera terrestre. Dentro desse núcleo minúsculo e superaquecido, a temperatura subiu para aproximadamente 35 milhões de graus Kelvin. Nessas temperaturas, os átomos foram despojados de seus elétrons, e o plasma tornou-se uma sopa fervilhante de partículas carregadas. Os pesquisadores mediram a luz vinda deste núcleo e confirmaram que os elétrons estavam se movendo com energia suficiente para impulsionar reações nucleares.
A descoberta mais significativa foi que essas reações realmente ocorreram. Quando o plasma se formou, ele produziu uma rajada de nêutrons rápidos, partículas subatômicas que voam a velocidades incríveis. Ao medir o tempo que essas partículas levaram para percorrer uma curta distância, a equipe determinou que possuíam uma energia de cerca de 14,1 milhões de elétron-volts. Essa assinatura de energia específica é a marca registrada de uma reação de fusão entre o deutério, uma forma pesada de hidrogênio encontrada na água pesada, e o lítio-6 dentro do eletrodo. O experimento produziu cerca de 120.000 desses nêutrons a cada pulso único. Para confirmar que esses nêutrons vieram de uma reação nuclear e não apenas de ruído aleatório, a equipe também analisou o gás deixado para trás na câmara após o disparo. Eles encontraram evidências claras de hélio-3 e hélio-4, as "cinzas" específicas ou subprodutos que devem ser deixados após o lítio e o deutério se fundirem.
Talvez o resultado mais surpreendente tenha sido que a forma química do lítio não alterou o resultado. Os pesquisadores testaram eletrodos feitos com o composto de hidreto de lítio e os compararam diretamente com eletrodos feitos com lítio metálico puro. Apesar de um ter começado como um composto e o outro como um metal puro, ambos produziram resultados quase idênticos. Eles geraram as mesmas temperaturas extremas, as mesmas pressões esmagadoras e o mesmo número de nêutrons. Os dados mostraram que a diferença entre os dois materiais era tão pequena que se perdeu nas variações naturais do experimento. Isso sugere que, uma vez que a onda de choque extrema atinge o material, as ligações químicas iniciais do lítio se quebram tão rapidamente que o plasma se comporta da mesma forma, independentemente de o lítio ter começado como um hidreto ou um metal.
O estudo também revelou que esses novos materiais compostos são incrivelmente duráveis. Em experimentos anteriores usando materiais padrão de grãos grosseiros, os eletrodos frequentemente se estilhaçavam ou rachavam sob o estresse térmico da descarga. Em contraste, esses novos eletrodos nanoestruturados sofreram erosão lenta e uniforme, perdendo apenas cerca de um mícron de material por disparo. Esse desgaste uniforme, em vez de rachaduras violentas, prova que o material pode suportar o ambiente brutal da geração de plasma de alta energia. Os pesquisadores concluíram que, ao usar a consolidação de alta pressão para criar esses compostos únicos, eles construíram com sucesso um componente que pode sobreviver às condições extremas necessárias para desencadear reações de fusão nuclear em um ambiente líquido. Este trabalho fornece um caminho claro para a criação de eletrodos mais robustos para experimentos de física de altas energias, mostrando que a forma inicial do lítio é menos importante do que a capacidade do material de sobreviver ao choque inicial e manter sua estrutura sob pressão extrema.
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