Um caminho mais simples para a fusão: a promessa da tecnologia do Tokamak esférico

Abrindo um novo caminho para embarcações de fusão compactas.

Alguns especialistas acreditam que o futuro da fusão nos EUA pode ser encontrado em vasos de fusão compactos e esféricos. Um tokamak menor é visto como uma solução potencialmente mais econômica para energia de fusão. O desafio está em encaixar todos os componentes necessários em um espaço limitado. Pesquisas recentes indicam que remover um componente-chave usado para aquecer o plasma poderia criar o espaço adicional necessário.

Cientistas do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE), a empresa privada Tokamak Energy e a Universidade de Kyushu no Japão propuseram um projeto para uma planta piloto de fusão compacta e esférica que aquece o plasma usando apenas micro-ondas. Normalmente, os tokamaks esféricos também usam uma bobina maciça de fio de cobre chamada solenoide, localizada perto do centro do recipiente, para aquecer o plasma. A injeção de feixe neutro, que envolve a aplicação de feixes de partículas sem carga ao plasma, também é frequentemente usada. Mas assim como uma cozinha minúscula é mais fácil de projetar se tiver menos aparelhos, seria mais simples e econômico fazer um tokamak compacto se ele tivesse menos sistemas de aquecimento.

A nova abordagem elimina o aquecimento ôhmico, que é o mesmo aquecimento que acontece em uma torradeira e é padrão em tokamaks. “Um plasma tokamak compacto e esférico parece uma maçã sem caroço com um núcleo relativamente pequeno, então não há espaço para uma bobina de aquecimento ôhmico”, disse Masayuki Ono, físico pesquisador principal da PPPL e autor principal do artigo detalhando a nova pesquisa. “Se não tivermos que incluir uma bobina de aquecimento ôhmica, provavelmente podemos projetar uma máquina que seja mais fácil e barata de construir.”

Identificando o ângulo ideal do feixe e o modo de aquecimento

Micro-ondas são uma forma de radiação eletromagnética que pode ser gerada usando um dispositivo conhecido como girotron. Os girotrons ficariam do lado de fora do tokamak — metaforicamente falando, do lado de fora da casca da maçã — apontados para o núcleo. Conforme os girotrons emitiam ondas poderosas no plasma, eles gerariam uma corrente movendo partículas carregadas negativamente conhecidas como elétrons. Esse processo, conhecido como acionamento por corrente de ciclotron de elétrons (ECCD), tanto aciona uma corrente quanto aquece o plasma. O processo de aquecimento não é tão simples quanto apenas ligar alguns girotrons, no entanto. Os pesquisadores precisam modelar diferentes cenários e determinar vários detalhes, como o melhor ângulo para mirar os girotrons para que as micro-ondas penetrem no plasma adequadamente.

Usando um código de computador chamado TORAY acoplado a um chamado TRANSP, a equipe escaneou os ângulos de mira e viu o que dava a maior eficiência. O objetivo é usar o mínimo de energia possível para conduzir a corrente necessária. “Além disso, você tem que tentar evitar que qualquer energia que você está colocando no plasma volte para fora”, disse Jack Berkery, coautor do artigo e vice-diretor de pesquisa do National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U). Isso pode acontecer quando as micro-ondas são refletidas do plasma ou quando entram no plasma, mas saem sem alterar a corrente ou a temperatura do plasma. “Houve muitas varreduras de parâmetros diferentes para encontrar a melhor solução”, disse Berkery.

A equipe de pesquisa também determinou qual modo de ECCD funcionaria melhor para cada fase do processo de aquecimento. Existem dois modos: modo comum, conhecido como modo O, e modo extraordinário, conhecido como modo X. Os pesquisadores veem o modo X como o melhor ajuste para aumentar a temperatura e a corrente do plasma, enquanto o modo O é a melhor escolha após a aceleração, quando a temperatura e a corrente do plasma simplesmente precisam ser mantidas.

“O modo O é bom para um plasma de alta temperatura e alta densidade. Mas descobrimos que a eficiência do modo O se torna muito ruim em temperaturas mais baixas, então você precisa de algo mais para cuidar do regime de baixa temperatura”, disse Ono.

Considerando o impacto das impurezas

Os autores, incluindo o pesquisador de pós-doutorado Kajal Shah, também investigaram como a energia seria irradiada para longe do plasma. Essa radiação poderia ser significativa em um plasma tão grande quanto o necessário para fusão comercial. Luis Delgado-Aparicio, chefe do Departamento de Projetos Avançados do Laboratório e coautor do artigo, observa que será particularmente importante minimizar o número de impurezas de elementos com alto número atômico, também conhecido como número Z, na tabela periódica. Esses são os elementos com muitas partículas carregadas positivamente, conhecidas como prótons. Quanto mais prótons um elemento tiver, maior será seu número Z e mais ele poderá contribuir para a perda de calor. Tungstênio e molibdênio, por exemplo, têm números Z, então seu uso dentro de um tokamak esférico compacto precisaria ser cuidadosamente considerado com um olho para operar o reator de maneiras que reduzissem a transferência de impurezas para o plasma.

Enquanto os fortes campos magnéticos confinam amplamente o plasma dentro de um tokamak em um formato específico, às vezes o plasma pode chegar perto das paredes internas do tokamak. “Quando isso acontece, átomos das paredes podem se soltar e entrar no plasma, resfriando-o”, disse Delgado-Aparicio. “Mesmo uma quantidade relativamente pequena de um elemento com um número Z alto pode fazer com que a temperatura do plasma esfrie significativamente.” Então, é particularmente importante manter impurezas fora do plasma — tanto quanto possível — principalmente enquanto a temperatura ainda estiver aumentando.

Parcerias público-privadas: O futuro da fusão

As simulações de aquecimento são parte de um projeto de design conhecido como Spherical Tokamak Advanced Reactor ou STAR. O projeto é uma iniciativa estratégica para desenvolver planos para uma usina piloto de energia. Berkery disse que o projeto fornece aos pesquisadores do PPPL uma oportunidade de aplicar sua expertise em física, engenharia e trabalhar com códigos de computador para simulações de fusão enquanto trabalham em parceria com empresas privadas em seus planos para usinas de energia de fusão com um design de tokamak esférico.

Vladimir Shevchenko, coautor do artigo e consultor técnico sênior da Tokamak Energy, disse que planeja executar experimentos no final do ano que vem no vaso de fusão da empresa, ST40, para comparar com os resultados da simulação apresentados no artigo. “Outros sistemas de aquecimento têm problemas muito, muito sérios”, disse Shevchenko. “Vejo isso como o futuro dos sistemas de aquecimento tokamak.”

Shevchenko acha que o projeto se beneficia da parceria público-privada entre a PPPL e a Tokamak Energy, uma das empresas selecionadas para o programa de desenvolvimento de fusão baseado em marcos do DOE. “A PPPL tem muitos especialistas experientes em diferentes áreas relacionadas à física de plasma e tecnologias tokamak. A contribuição deles em termos de modelagem e consultoria é muito valiosa para uma empresa privada como a Tokamak Energy”, disse ele.

Referência: “Inicialização, aceleração e sustentação de corrente de plasma não indutiva ECCD eficiente para um reator de fusão ST” por M. Ono, JW Berkery, N. Bertelli, S. Shiraiwa, L. Delgado-Aparicio, JE Menard , Á. Sánchez-Villar, K. Shah, V. Shevchenko, H. Idei e K. Hanada, 19 de junho de 2024, Fusão nuclear.
DOI: 10.1088/1741-4326/ad556f

Outros pesquisadores do PPPL neste projeto incluem Nicola Bertelli, Syun'ichi Shiraiwa, Jon Menard e Álvaro Sánchez Villar. Esta pesquisa foi concluída com financiamento do DOE sob o número de contrato DE-AC02-09CH11466.