Cientistas do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) identificaram uma maneira potencialmente mais eficiente de obter ignição por fusão, marcando um marco importante na busca por energia de fusão prática. Os seus cálculos mostram que alterar a ordem em que o plasma é aquecido e comprimido pode reduzir drasticamente a energia necessária para alcançar uma reacção de fusão auto-sustentável.
Durante mais de sete décadas, os investigadores da fusão confiaram numa regra matemática para determinar se o plasma pode permanecer suficientemente quente e denso durante tempo suficiente para sustentar a fusão sem aquecimento externo adicional. Esta equação, conhecida como critério de Lawson, define as condições necessárias para a ignição. No entanto, não indica a maneira mais eficaz de alcançá-los.
Agora, os físicos do PPPL Luis Delgado-Aparicio, Masayuki Ono e Jonathan Maynard desenvolveram uma versão mais abrangente do critério. Ao incorporar quatro fatores adicionais que afetam o desempenho da fusão, eles criaram uma rota promissora para a ignição que pode exigir significativamente menos energia do que métodos alternativos.
Suas descobertas foram publicadas na revista artigo de revisão física.
Esta pesquisa concentra-se no plasma, frequentemente chamado de quarto estado da matéria. O plasma se forma quando um gás se torna tão energético que suas partículas têm carga elétrica. Nos reactores de fusão, este material extremamente quente contém núcleos atómicos que os investigadores esperam combinar libertando energia através da fusão nuclear.
O objetivo final é produzir um plasma em combustão, no qual as reações de fusão geram continuamente calor suficiente para sustentar o processo sem aquecimento externo. Alcançar este estado de forma eficiente é um dos desafios mais importantes na investigação em energia de fusão.
Cientistas descobrem atalho para ignição por fusão
Delgado-Aparicio comparou a descoberta a encontrar uma rota mais eficiente através de uma cordilheira.
Imagine que os requisitos energéticos para a ignição por fusão criam uma paisagem dominada por uma montanha gigante. O destino está do outro lado, mas existem muitas maneiras possíveis de chegar até ele.
Muitas estratégias de fusão propostas tentam efetivamente escalar a montanha diretamente. Eles começam aumentando a densidade do plasma e depois fornecem a enorme quantidade de calor necessária para atingir a ignição.
Novos cálculos sugerem que uma sequência diferente pode ser significativamente mais eficiente. Em vez de aumentar primeiro a densidade, os pesquisadores podem aquecer o plasma antes de torná-lo mais denso. Esta rota alternativa permite atingir as condições desejadas, evitando também os maiores requisitos energéticos.
“Muitas empresas querem subir a montanha e gastam muita energia para chegar lá”, disse Delgado-Aparicio. “Em vez disso, dê a volta ao cume. Você chega ao mesmo local muito melhor e usa muito menos energia.”
Hidden Mountain Pass em Física de Fusão
Os pesquisadores identificaram uma região particularmente importante desta paisagem matemática chamada sela Cordy.
Geograficamente, a sela é uma passagem baixa entre grandes altitudes. Na física da fusão, a sela Cordy representa um ponto relativamente acessível ao longo da fronteira que separa o plasma que ainda requer aquecimento externo de um plasma capaz de sustentar as suas próprias reações de fusão.
Para avaliar os diferentes caminhos, os cientistas usaram uma medida chamada Q, que compara a potência produzida pelas reações de fusão com a potência de aquecimento externa fornecida ao plasma.
Por exemplo, um valor Q de 5 significa que as reações de fusão produzem cinco vezes mais eletricidade que um sistema de aquecimento externo.
Em um plasma ideal contendo apenas combustível de fusão puro, a sela Cordy ocorre aproximadamente em Q = 5. No entanto, os sistemas de fusão reais são muito mais complexos. Contaminantes no plasma e campos magnéticos extremamente fortes podem alterar a localização desta via, aumentando o valor Q necessário para acessá-la.
Compreender como essas condições mudam é essencial para determinar se um reator de fusão proposto pode realisticamente atingir a ignição.
Um roteiro mais realista para futuros reatores de fusão
As descobertas podem influenciar o projeto de dois tipos principais de dispositivos de fusão magnética: tokamaks e stellarators.
Ambas as abordagens utilizam campos magnéticos poderosos para confinar o plasma enquanto ele é aquecido às temperaturas extraordinárias necessárias para a fusão. Os Tokamaxes, que têm um formato distinto de donut, são uma das principais tecnologias que estão sendo investigadas para futuras usinas de fusão.
As instituições de investigação e as empresas privadas estão a desenvolver vários métodos diferentes para gerar electricidade a partir da fusão e, em última análise, fornecer essa electricidade à rede eléctrica. Identificar um caminho eficiente para a ignição pode ajudar os engenheiros a projetar sistemas mais práticos, evitando erros dispendiosos.
Para a PPPL, este trabalho faz parte de um esforço mais amplo para enfrentar os desafios científicos e tecnológicos que devem ser superados antes que a energia de fusão comercial seja possível, incluindo o desenvolvimento de futuras centrais piloto de fusão.
Um dos principais avanços do estudo é que ele avalia vários processos físicos importantes em conjunto, em vez de examiná-los separadamente, como foi feito em muitas pesquisas anteriores.
Os pesquisadores incluíram quatro fatores adicionais que podem afetar se o plasma atinge e mantém a ignição:
- Formação de cinzas de hélio: As reações de fusão produzem hélio como subproduto. À medida que este combustível irradiado se acumula, pode diluir o combustível de fusão restante e reduzir o desempenho.
- Contaminação de plasma: Impurezas leves e pesadas podem entrar no plasma a partir de materiais dentro do reator, interferindo nas condições de fusão.
- Radiação síncrotron: Os elétrons que viajam através de um campo magnético emitem radiação, que transporta energia para longe do plasma.
- Perdas de calor: A energia é continuamente liberada do plasma e essas perdas podem aumentar à medida que a temperatura aumenta.
Ter estes efeitos em conta cria uma imagem mais realista das condições que os futuros reactores irão enfrentar.
“Quando você deixa de fora essas influências, está dizendo que o design funcionará perfeitamente”, disse Ono. “Quando você os coloca, a imagem muda e se torna bastante significativa.”
De acordo com Ono, o objetivo é estabelecer um modelo mais confiável e amplamente aplicável que os cientistas possam usar para avaliar projetos de reatores de fusão antes do início da construção.
Tratar o critério de Lawson como um único limite invariante ignora processos físicos que podem alterar substancialmente os requisitos de ignição. Incluir esses impactos no início do processo de design pode evitar problemas dispendiosos posteriormente.
“Os experimentos de fusão custam muito dinheiro e você não quer cometer erros que poderia ter detectado antes”, disse ele.
Pequenas quantidades de tungstênio podem dificultar a fusão
Uma descoberta particularmente surpreendente diz respeito ao tungstênio, um metal extremamente resistente ao calor que foi escolhido para as paredes internas de mais de uma dúzia de máquinas de fusão da próxima geração.
O tungstênio é atraente porque os reatores de fusão devem suportar condições com temperaturas de plasma superiores às encontradas no centro do Sol. No entanto, também representa um desafio significativo se mesmo pequenas quantidades de material entrarem no plasma.
Os cálculos da equipa mostram que a contaminação por tungsténio numa concentração de apenas uma parte em 10.000 poderia quase duplicar a pressão necessária para atingir a ignição por fusão.
Este é um aumento substancial resultante de uma quantidade excepcionalmente pequena de ingredientes.
Os cálculos foram inicialmente desenvolvidos em duas dimensões. Quando os investigadores alargaram a sua análise a três dimensões, descobriram que a pressão necessária para a ignição pode exceder o intervalo em que o plasma permanece estável.
Isto mostra que uma contaminação aparentemente pequena pode ter consequências importantes na viabilidade de alguns projetos de reatores de fusão.
Como a perda de energia pode ajudar a estabilizar a fusão
Surpreendentemente, alguns dos processos que tornam a ignição mais difícil também podem ajudar os reatores de fusão a operar de forma mais segura e contínua.
Os cientistas há muito investigam a possibilidade de instabilidade térmica “descontrolada”. Isto ocorre quando o calor das reações de fusão aumenta a taxa de reação, produzindo ainda mais calor e criando potencialmente um ciclo de auto-reforço.
Os pesquisadores descobriram que a perda de energia no plasma pode compensar naturalmente esse efeito.
Embora essas perdas aumentem a dificuldade de atingir a ignição, elas também proporcionam um efeito de equilíbrio que pode permitir que o plasma em combustão mantenha um estado operacional estável sem ajuste constante.
Este equilíbrio pode ser valioso para futuros projetos de reatores.
(Ao contrário de uma central eléctrica de fissão, um sistema de fusão retém o combustível apenas durante alguns segundos de cada vez, pelo que perder o controlo significa que o plasma arrefece e deixa de queimar, em vez de algo pior.)
Lítio líquido e combustíveis avançados podem melhorar a eficiência da fusão
O estudo também identifica técnicas que podem ajudar a superar alguns dos obstáculos encontrados nos cálculos.
Uma possibilidade envolve revestir o interior dos reatores de fusão com lítio líquido, uma técnica que os pesquisadores do PPPL vêm investigando há anos.
Esses revestimentos podem ajudar a impedir a entrada de tungstênio no plasma e, ao mesmo tempo, reduzir a perda de calor, facilitando a manutenção das condições extremas necessárias para a fusão.
Outra abordagem promissora utiliza combustíveis polarizados por spin. Isto envolve a preparação de núcleos atômicos para que seus spins estejam alinhados antes que ocorra a fusão, o que pode aumentar a taxa de reação de fusão.
Juntas, estas estratégias poderiam melhorar o desempenho de futuros reatores e tornar o caminho para a ignição mais acessível.
O que vem a seguir para a nova estratégia de fusão?
Apesar das descobertas promissoras, a abordagem proposta pelo calor ainda não foi demonstrada experimentalmente.
A pesquisa é teórica e depende de cálculos matemáticos em vez de medições diretas. Os experimentos de fusão existentes não atingiram as temperaturas associadas à sela Cordy, impedindo os cientistas de testar o caminho previsto nessas condições.
A equipe do PPPL planeja investigar mais a abordagem por meio de experimentos digitais, usando simulações baseadas em computador para determinar se o aquecimento do plasma antes de aumentar a densidade pode fornecer os benefícios esperados.
Se estudos futuros confirmarem os cálculos, as descobertas poderão fornecer uma base importante para a concepção de sistemas de fusão mais eficientes e ajudar os investigadores a tomar melhores decisões sobre a construção de reactores.
“Embora sejam necessários mais estudos, estamos encorajados por estes resultados, e eles sugerem um caminho claro para pesquisas futuras nesta área”, disse Maynard.
O trabalho foi apoiado pelo DOE Office of Science, Office of Fusion Energy Sciences, sob o contrato DE-AC02-09CH11466. Apoio adicional veio por meio do Prêmio de Início de Carreira da Fusion Energy Sciences de 2015, do Prêmio de Inovação e Desenvolvimento de Diagnóstico de 2018 e do Programa de Pesquisa Tokamak de Pulso Longo de 2021 e 2025.
