A fusão nuclear pode liberar ainda mais energia do que imaginávamos, dizem cientistas

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Tokamak TCV em Lausana na Suíça. (Créditos: Curdin Wüthrich/SPC/EPFL)

Traduzido por Julio Batista
Original de Tom Metcalfe para o Live Science

Futuras reações de fusão dentro de tokamaks poderiam produzir muito mais energia do que se pensava anteriormente, graças a novas pesquisas inovadoras que descobriram que uma lei fundamental para esses reatores estava errada.

A pesquisa, liderada por físicos do Centro Suíço de Plasma da Escola Politécnica Federal de Lausana (EFPL), determinou que a densidade máxima do combustível de hidrogênio é cerca de duas vezes o “Limite de Greenwald” – uma estimativa derivada de experimentos de mais de 30 anos atrás.

A descoberta de que os reatores de fusão podem realmente trabalhar com densidades de plasma de hidrogênio que são muito mais altas do que o limite de Greenwald para o qual foram construídos influenciará a operação do enorme tokamak ITER que está sendo construído no sul da França e afetará muito os projetos dos sucessores do ITER, chamados de Reatores de Fusão de Usinas de Demonstração (DEMO), disse o físico Paolo Ricci no Centro de Plasma da Suíça.

“O valor exato depende da potência”, disse Ricci à Live Science. “Mas como uma estimativa aproximada, o aumento é da ordem de um fator de dois no ITER.”

Ricci é um dos líderes do projeto de pesquisa, que combinou o trabalho teórico com os resultados de cerca de um ano de experimentos em três reatores de fusão diferentes em toda a Europa – o Tokamak de Configuração Variável (TCV) da EPFL, o Joint European Torus (JET) em Culham no Reino Unido, e o Axially Symmetric Divertor Experiment (ASDEX) para avanços com tokamaks no Instituto Max Planck de Física de Plasma em Garching na Alemanha.

Ele também é um dos principais autores de um estudo sobre a descoberta publicado em 6 de maio na revista Physical Review Letters.

Fusão do futuro 

Os tokamaks em forma de rosquinha são um dos projetos mais promissores para reatores de fusão nuclear que poderiam um dia ser usados ​​para gerar eletricidade para redes elétricas.

Os cientistas trabalharam por mais de 50 anos para tornar a fusão controlada uma realidade; ao contrário da fissão nuclear, que faz com que a energia destrua núcleos atômicos muito grandes, a fusão nuclear poderia gerar ainda mais energia juntando núcleos muito pequenos.

O processo de fusão cria muito menos resíduos radioativos do que a fissão, e o hidrogênio rico em nêutrons que ele usa como combustível é comparativamente fácil de obter.

O mesmo processo alimenta estrelas como o Sol, razão pela qual a fusão controlada é comparada a uma “estrela em uma recipiente”; mas como a pressão muito alta no coração de uma estrela não é viável na Terra, as reações de fusão aqui exigem temperaturas mais quentes que o Sol para operar.

A temperatura dentro do tokamak TCV, por exemplo, pode ser superior a 120 milhões de graus Celsius – quase 10 vezes a temperatura do núcleo de fusão do Sol (cerca de 15 milhões de graus Celsius).

Vários projetos de energia de fusão estão agora em estágio avançado, e alguns pesquisadores acham que o primeiro tokamak a gerar eletricidade para a rede pode estar funcionando até 2030, informou a Live Science anteriormente.

Mais de 30 governos em todo o mundo também estão financiando o tokamakk ITER (“Iter” significa “o caminho” em latim), que deve produzir seus primeiros plasmas experimentais em 2025.

O ITER, no entanto, não foi projetado para gerar eletricidade; mas os tokamaks baseados no ITER, chamados reatores DEMO, estão agora sendo projetados e podem estar funcionando até 2051.

O problema do plasma

No centro dos novos cálculos está o Limite de Greenwald, em homenagem ao físico do MIT Martin Greenwald, que determinou o limite em 1988.

Os pesquisadores estavam tentando descobrir por que seus plasmas de fusão efetivamente se tornaram incontroláveis ​​(eles se expandiram para fora dos campos magnéticos pelos quais estavam contidos dentro da câmara do tokamak) quando aumentaram a densidade do combustível além de um certo ponto, e Greenwald derivou um limite experimental baseado em um tokamak com um raio menor (o tamanho do círculo interno da rosquinha) e a quantidade de corrente elétrica que passa pelo plasma.

Embora os cientistas suspeitassem há muito tempo que o Limite de Greenwald poderia ser melhorado, tem sido uma regra fundamental da pesquisa de fusão por mais de 30 anos, disse Ricci. Por exemplo, é um princípio orientador do design do ITER.

O estudo mais recente, no entanto, expande os experimentos e a teoria que Greenwald usou para derivar seu limite, resultando em um limite de densidade de combustível muito maior que aumentará a capacidade do ITER e afetará os projetos dos reatores DEMO que vêm depois dele, segundo ele.

A chave foi a descoberta de que um plasma pode sustentar uma maior densidade de combustível à medida que a potência de uma reação de fusão aumenta, disse ele.

Ainda não é possível saber como um aumento tão grande na densidade do combustível afetará a potência dos tokamaks, disse Ricci, mas é provável que seja significativo; e pesquisas mostram que uma maior densidade de combustível tornará os reatores de fusão mais fáceis de operar.

“Isso torna as condições de fusão seguras e sustentáveis ​​mais fáceis de alcançar”, disse ele. “Isso permite que você chegue aonde deseja, para que o reator de fusão possa funcionar corretamente.”