Físicos aprimoraram com sucesso um dispositivo essencial para a produção de energia de fusão

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Créditos: Eduard Muzhevskyi / Getty Images.

Por Michelle Starr
Publicado na ScienceAlert

Físicos que trabalham em um tipo de reator de fusão chamado stellarator estão cada vez mais perto de realmente aproveitar o poder da fusão nuclear.

De acordo com um novo estudo, o stellarator Wendelstein 7-X na Alemanha agora é capaz de conter calor que atinge temperaturas duas vezes mais altas do que as encontradas no núcleo do Sol. Isso significa que os físicos foram capazes de reduzir a perda de calor – um grande passo à frente na tecnologia estelar.

“É uma notícia realmente emocionante para a fusão o fato de que este projeto foi bem-sucedido”, disse o físico Novimir Pablant, do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL), nos EUA. “Isso mostra claramente que esse tipo de otimização pode ser feito”.

A energia de fusão está no centro dos esforços para o desenvolvimento de energia em todo o mundo. Teoricamente, ela depende do aproveitamento da energia liberada quando os núcleos do plasma se fundem para produzir um elemento mais pesado: o mesmo processo que ocorre no coração das estrelas. Se pudéssemos conseguir isso, os benefícios seriam enormes – energia limpa e de alta produção que é praticamente inesgotável.

No entanto, é mais fácil falar do que fazer. A fusão é um processo extremamente enérgico e não é fácil contê-la. A energia de fusão foi estudada pela primeira vez na década de 1940; décadas depois, os reatores de fusão ainda não produzem tanta energia quanto perdem, por uma margem bastante significativa – embora a lacuna esteja diminuindo.

A tecnologia de fusão atualmente quebrando recordes de temperatura é o tokamak – um anel de plasma em forma de rosquinha preso em uma camada de campos magnéticos, acionado em alta velocidade em pulsos rápidos. A relativa simplicidade ajuda a contê-lo em altas temperaturas, mas apenas em rajadas.

Stellaratores, por outro lado, são baseados em uma configuração incrivelmente complexa de ímãs mapeados por uma IA que pode orientar o plasma para mantê-lo fluindo. Eles são muito difíceis de projetar e construir, o que resultou em stellaratores que vazam um pouco da energia produzida pela fusão, na forma de perda de calor.

Wendelstein 7-X. Créditos: Bernhard Ludewig / Instituto Max Planck de Física do Plasma.

Essa perda de calor é o resultado de um processo chamado transporte neoclássico, no qual íons em colisão em um reator de fusão fazem com que o plasma se espalhe para fora. Seu efeito é maior em stellaratores do que em tokamaks.

Como os tokamaks têm suas próprias ineficiências, os pesquisadores do PPPL e do Instituto Max Planck de Física do Plasma buscaram moldar os ímãs no W7-X para tentar reduzir os efeitos do transporte neoclássico. E agora as medições, feitas com um instrumento chamado espectrômetro de cristal de imagem de raios-X (XICS), mostraram temperaturas muito altas dentro do reator.

Estas são apoiadas por medições de espectroscopia de recombinação de troca de carga (CXRS), que são consideradas mais precisas do que as medições de XICS, mas não podem ser feitas em todas as condições.

Mas com os dois conjuntos de dados em acordo, parece que o stellarator foi capaz de atingir temperaturas de quase 30 milhões de Kelvin.

Isso só seria possível, descobriu a equipe, se houvesse uma redução acentuada no transporte neoclássico. Eles conduziram a modelagem para determinar quanto calor seria perdido por meio do transporte neoclássico se o W7-X não tivesse sido otimizado e descobriram que 30 milhões de Kelvin estavam fora do limite.

“Isso mostrou que a forma otimizada do W7-X reduziu o transporte neoclássico e foi necessária para o desempenho visto nos experimentos do W7-X”, disse Pablant. “Foi uma forma de mostrar a importância da otimização”.

Este resultado empolgante representa um passo significativo no aprimoramento do design do stellarator, que informará e moldará os esforços futuros.

É também um passo significativo em direção a um reator de fusão prático, embora haja muito mais trabalho a ser feito. Para um reator de fusão ser prático, ele precisa não apenas ter altas temperaturas, mas também a densidade certa de plasma e tempos de confinamento decentes. Enquanto os tokamaks esquentam mais, reduzir a energia perdida garante que a tecnologia estelar ainda possa ter uma vantagem.

“Reduzir o transporte neoclássico não é a única coisa que você precisa fazer”, disse Pablant. “Há uma série de outras metas que precisam ser mostradas, incluindo funcionamento constante e redução do transporte turbulento”.

Com diferentes tecnologias de reatores de fusão nuclear atualmente em desenvolvimento, parece apenas uma questão de tempo até que uma delas atinja tais metais. Ainda pode demorar um pouco até que a energia gerada pela fusão alcance nossas redes de energia, mas quando isso acontecer, pode muito bem mudar o mundo.

O W7-X está atualmente passando por atualizações e reiniciará as operações em 2022.

A pesquisa foi publicada na Nature.