A fusão nuclear para a geração controlada e regular de energia elétrica, convertendo hidrogênio em hélio e reproduzindo em pequena escala o que acontece dentro das estrelas, é uma das promessas tecnológicas mais importantes para as próximas décadas. Até aqui, apenas resultados limitados foram alcançados em experimentos de laboratório. Agora, um reator protótipo chamado ITER está em construção no sul da França. Sua capacidade projetada é de 500 megawatts, e o plano é entrar em operação em 2025. Os membros do consórcio ITER são a China, a União Europeia, Índia, Japão, Rússia, Coreia do Sul e Estados Unidos. O custo do megaprojeto deverá ultrapassar € 20 bilhões.

O ITER não irá capturar a energia que produz na forma de eletricidade, mas será o primeiro tokamak a produzir energia líquida, ou seja, mais potência do que a quantidade de energia térmica injetada para aquecer o plasma. Isso permitirá que os cientistas aprendam mais sobre como lidar com as múltiplas complexidades técnicas da fusão nuclear, pavimentando o caminho para máquinas que o utilizam para fornecer eletricidade à rede. O termo tokamak vem da sigla em russo para câmara toroidal com bobinas magnéticas.

Será crucial garantir que o processo de fusão nuclear possa se tornar autossustentável e evitar perdas de energia por meio de radiação eletromagnética e partículas alfa, pois essas perdas permitiriam o resfriamento do reator. Resultados experimentais observados durante os últimos 20 anos mostraram que a maneira como os íons rápidos (incluindo partículas alfa) são ejetados do plasma varia muito de um tokamak para outro. Até recentemente, ninguém entendeu quais condições experimentais determinaram esse comportamento.

O problema já foi elucidado por Vinícius Njaim Duarte, um jovem pesquisador brasileiro. Duarte está atualmente envolvido em pesquisa de pós-doutorado no Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) nos Estados Unidos. Ele é o autor principal do artigo, intitulado "Teoria e observação do início de estruturas não lineares devido à desestabilização do modo próprio por íons rápidos em tokamaks, "publicado no Journal Physics of Plasmas .

A pesquisa de Duarte chamou tanta atenção que os pesquisadores do maior tokamak dos EUA, DIII-D, conduziu experimentos para testar o modelo que ele propôs. Os resultados confirmaram as previsões do modelo.

O físico Ricardo Magnus Osório Galvão disse:"Ondas eletromagnéticas excitadas por partículas rápidas em tokamaks podem exibir variações repentinas de frequência, conhecido como chilrear. Ninguém entendeu por que isso aconteceu em algumas máquinas e não em outras. Usando modelagem numérica complexa e dados experimentais, Duarte mostrou que se o chilrear ocorre ou não - e, portanto, a natureza das perdas de partículas e energia - depende do nível de turbulência no plasma confinado no tokamak. As reações de fusão nuclear ocorrem neste plasma. O chilrear ocorre se não for muito turbulento. Com turbulência severa, não há chilrear. "

A fusão nuclear é distinta da fissão nuclear, o processo usado nas usinas nucleares existentes no mundo. Em fissão, os núcleos atômicos de elementos pesados, como o urânio 235, dividem-se em núcleos de elementos mais leves - criptônio e bário, nesse caso. Esta fissão libera energia, radiação eletromagnética, e nêutrons que, por sua vez, se dividem em uma reação em cadeia que mantém o processo em andamento.

Na fusão nuclear, os núcleos atômicos de elementos mais leves, como os isótopos de hidrogênio deutério (um próton e um nêutron) e trítio (um próton e dois nêutrons) se fundem para formar núcleos de elementos mais pesados ​​- neste caso, hélio (dois prótons e dois nêutrons) - e libera energia.

“Para que a fusão nuclear seja possível, é necessário superar a repulsão eletrostática entre íons positivos, "Explicou Galvão." Isso só acontece se o plasma formado pelos núcleos dos elementos leves for aquecido a temperaturas extremamente altas, na ordem de dezenas a centenas de milhões de graus Celsius. "

No ITER, por exemplo, 840 metros cúbicos de plasma são aquecidos a 150 milhões de graus Celsius, mais de dez vezes a temperatura do centro do sol. "Com esse tipo de temperatura, você atinge o ponto de equilíbrio de energia. A energia liberada pelas reações de fusão é suficiente para igualar a energia necessária para aquecer o plasma, "Disse Galvão.

O processo ocorre na câmara toroidal dentro do tokamak. Um toro tem a forma de um donut. O sólido contido na superfície é conhecido como toroide.

O processo de fusão nuclear se desenvolve da seguinte forma:um vácuo é produzido na câmara, que é então preenchido com gás. Uma descarga elétrica ioniza o gás, que é aquecido por ondas de rádio de alta freqüência. Um campo elétrico induzido na câmara toroidal sujeita o gás a uma corrente extremamente intensa (aproximadamente 1 milhão de amperes, no caso de DIII-D), que aquece ainda mais o gás por meio do efeito Joule. Ainda mais energia é injetada por ondas eletromagnéticas até que a temperatura necessária para desencadear a fusão nuclear seja alcançada. Mesmo um pequeno tokamak, como a instalada na Universidade de São Paulo, atinge temperaturas da ordem de 100 milhões de graus.

"Nessas temperaturas extremamente altas, os íons vibram tão fortemente que colidem e superam a repulsão eletrostática, "Disse Galvão." Um poderoso campo magnético confina o fluxo de plasma e o mantém longe das paredes do navio. As partículas alfa altamente energizadas [núcleos de hélio] colidem com outras partículas no plasma, mantendo-o quente e sustentando a reação de fusão. "

Uma analogia sugerida por Galvão seria uma fogueira feita com madeira úmida, que não pega fogo facilmente no início, mas que inflama eventualmente depois que uma certa temperatura é atingida, e a combustão cada vez mais estável produz energia suficiente para superar a umidade. O plasma atinge o ponto de ignição quando as partículas alfa começam a alimentar de forma consistente o processo.

Entre as muitas vantagens da fusão sobre a fissão está o fato de que a fusão envolve um mecanismo de autocontrole:uma vez que o ponto de ignição é alcançado, se este nível de temperatura for significativamente excedido - em outras palavras, se o plasma superaquecer - a reação diminui automaticamente. Assim, derretimento do reator, uma das complicações mais perigosas de acidentes em usinas que usam fissão nuclear, não poderia acontecer em uma usina de fusão nuclear.

O problema é que a interação ressonante entre partículas alfa e ondas presentes no plasma pode excitar oscilações eletromagnéticas, ou mesmo levar à ejeção de partículas alfa. Isso pode causar perda de energia, resfriamento do plasma e possível interrupção da fusão nuclear. Entender as causas desse problema e os fatores que podem evitá-lo é fundamental para garantir a sustentabilidade do processo e o uso da fusão nuclear como fonte viável de energia elétrica.

“O que Duarte constatou é que esse desfecho se dá de forma auto-organizada, com a produção de chilrear, se o plasma não for muito turbulento. Se a turbulência for alta, Contudo, não faz, “Disse Galvão [veja abaixo entrevista com Vinícius Njaim Duarte].

O ponto crucial do problema é que, em um fluido altamente turbulento, não há direção preferencial, Galvão explicou, oferecendo outra analogia para ajudar a ilustrar seu significado.

"Quando você aquece a água lentamente, você cria uma célula de convecção no contêiner. A água quente sobe, e pias de água fria. Isso continua até que toda a água atinja o ponto de ebulição, "disse ele." O meio então se torna turbulento, a célula de convecção é destruída, e a energia se espalha indiscriminadamente em todas as direções. Isso também acontece em plasma confinado magneticamente. Sua ocorrência impede a criação de um sistema auto-organizado que sustenta uma indesejável onda eletromagnética associada. Não há coerência suficiente para que as ondas sejam geradas. Portanto, a perda de energia que encerraria o processo de fusão não ocorre.

“Duarte já havia publicado um artigo sobre esse modelo durante sua pesquisa de doutorado, mas ninguém havia realizado um experimento para controlar o nível de turbulência e ver se o modelo se aplicava ou não. Isso agora foi conduzido pela General Atomics em DIII-D, especificamente para testar o modelo, o que foi comprovado pelo resultado. "

Os físicos experimentais já sabiam empiricamente como induzir turbulência maior ou menor, mas eles não sabiam que isso afetaria a natureza espectral das ondas associadas à estrutura da partícula. A contribuição de Duarte consiste em identificar o mecanismo-chave de controle e explicar o porquê. Em termos de aplicações tecnológicas, isso estabelece turbulência ideal - o suficiente para evitar partículas auto-organizadas e perda de energia, mas não o suficiente para ter outros efeitos indesejáveis ​​no confinamento geral do plasma.

Até agora, tokamaks têm sido usados ​​em escala de laboratório. O ITER será o primeiro protótipo de tokamak capaz de gerar eletricidade de forma eficiente por fusão nuclear. O uso de fusão nuclear controlada não é incontroverso, mas de acordo com seus defensores, é seguro, pode produzir uma quantidade praticamente ilimitada de energia, e não cria lixo radioativo, assim como os reatores de fissão.