Correção da teoria dobra energia produzida por reatores de fusão nuclear

Redação do Site Inovação Tecnológica - 19/05/2022

Reator termonuclear do tipo tokamak no instituto EPFL, um dos que foram usados para testar a atualização da teoria.
[Imagem: Alain Herzog (EPFL)]

Enchendo o tanque de um reator de fusão

Ao revisar uma teoria que estabelece a quantidade de hidrogênio que é possível colocar dentro de um reator de fusão nuclear, físicos descobriram que mesmo os reatores experimentais em construção hoje poderão gerar muito mais energia do que se previa.

A fusão nuclear, que alimenta as estrelas, envolve dois núcleos atômicos que se combinam em um maior, liberando enormes quantidades de energia: O calor do Sol vem dos núcleos de hidrogênio que se fundem em átomos mais pesados de hélio.

Para domar essa energia, construindo estrelas artificiais que possam suprir energia limpa para a Terra, o caminho mais promissor envolve criar um estado ionizado da matéria, chamado plasma, no interior de reatores chamados tokamaks.

O plasma é criado submetendo o combustível de fusão - átomos de hidrogênio - a temperaturas extremamente altas (10 vezes a do núcleo do Sol), forçando os elétrons a se separarem dos seus núcleos atômicos. O processo ocorre dentro de uma estrutura em forma de rosquinha, ou toroidal, o tokamak.

"Uma das limitações em fazer plasma dentro de um tokamak é a quantidade de combustível de hidrogênio que você pode injetar nele. Desde os primeiros dias da [pesquisa sobre a] fusão, sabemos que, se você tentar aumentar a densidade do combustível, em algum momento haverá o que chamamos de 'interrupção' - basicamente você perde totalmente o confinamento, e o plasma vai para qualquer lugar. Então, nos anos 1980, as pessoas estavam tentando criar algum tipo de lei que pudesse prever a densidade máxima de hidrogênio que você pode colocar dentro de um tokamak," explicou o físico Paolo Ricci, da Escola Politécnica Federal de Lausanne, na Suíça.

Estão em desenvolvimento outros tipos de reatores além dos tokamaks, visando obter a fusão nuclear em equipamentos mais compactos.
[Imagem: Kwei-Yu Chu]

Lei empírica

A resposta veio em 1988, quando Martin Greenwald publicou uma agora famosa lei que correlaciona a densidade do combustível ao raio menor do tokamak (o raio do círculo interno do toroide) e à corrente que flui no plasma. Desde então, o "limite de Greenwald" tem sido um princípio fundamental em tudo o que envolve a geração de energia por fusão nuclear - o próprio projeto internacional ITER é baseado nele.

O detalhe é que não se trata exatamente de uma "lei" no sentido de uma teoria testada desde os seus primeiros princípios: Greenwald derivou seu limite empiricamente.

Agora, a equipe de Ricci demonstrou que dá para colocar muito mais hidrogênio no tokamak. Embora também não tenham ainda chegado aos primeiros princípios que poderão correlacionar a densidade do combustível e o tamanho do tokamak, a equipe usou simulações computadorizadas do plasma e realizou experimentos nos maiores tokamaks do mundo, o Joint European Torus (JET), no Reino Unido, o ASDEX Upgrade, na Alemanha, e o TCV, da EPFL.

"E o que descobrimos, por meio de nossas simulações, foi que, à medida que você adiciona mais combustível ao plasma, partes dele se movem da camada externa fria do tokamak, o limite, de volta ao seu núcleo, porque o plasma se torna mais turbulento. Então, ao contrário de um fio elétrico de cobre, que se torna mais resistente conforme se aquece, os plasmas se tornam mais resistentes quando esfriam. Então, quanto mais combustível você injeta à mesma temperatura, mais partes dele esfriam - e mais difícil é para a corrente fluir no plasma, possivelmente levando a uma interrupção," explicou Ricci.

No fim, a equipe acabou derivando uma nova equação também ao modo de Greenwald, a partir dos dados de suas simulações, que se alinha melhor aos experimentos do que o limite de Greenwald.

A nova equação postula que o limite de Greenwald pode ser aumentado quase duas vezes em termos de combustível no ITER; isso significa que tokamaks como o ITER podem realmente usar quase o dobro da quantidade de combustível para produzir plasmas sem preocupações com a cessação da reação.

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