Talvez o maior desafio tecnológico para colher na Terra a energia de fusão que alimenta o sol e as estrelas em futuros reatores de fusão tokamak seja controlar o calor extremo que pode atingir o sistema de exaustão dentro dos dispositivos. Esse fluxo de calor, ou fluxo, pode danificar seriamente as paredes do divertor no centro do sistema de escapamento e interromper as reações de fusão nas instalações em forma de rosca.

Pesquisadores do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) criaram um plano usando lítio líquido para impedir que toda a força do calor extremo atingisse o divertor e permitiria que os tokamaks continuassem funcionando. "Haverá um aviso descendo e se você puder pegá-lo e implementar um remédio rápido o suficiente, você pode evitar que o evento danifique a parede do divertor, "disse o físico Masayuki Ono, autor principal de um artigo no Journal of Fusion Energy que descreve uma solução proposta.

As reações de fusão combinam elementos leves na forma de plasma - o quente, estado carregado de matéria composta de elétrons livres e núcleos atômicos que constituem 99% do universo visível - para gerar grandes quantidades de energia. Físicos de todo o mundo procuram reproduzir e controlar essas reações para criar um ambiente seguro, fornecimento limpo e virtualmente inesgotável de energia para gerar eletricidade.

Enorme energia armazenada

O problema surge porque a energia armazenada no núcleo do plasma que abastecerá os futuros tokamaks deve ser 1, 000 vezes maior do que nas instalações usadas hoje. Se apenas 1% da energia armazenada saísse do núcleo de um futuro reator e chegasse ao divertor, o dano pode ser extenso, Ono disse. Tal evento pode ser causado por surtos como modos localizados na borda (ELMs), em que explosões intensas de calor podem atingir as paredes voltadas para o plasma de um tokamak. O remédio proposto, desenvolvido com o co-autor Roger Raman, um físico da Universidade de Washington em missão de longo prazo para PPPL, pede a injeção de pellets de lítio, um metal prateado leve, para o divertor no coração da região de escapamento, onde o lítio se liquidificaria e irradiaria fortemente. A radiação espalharia muito do calor extremo que escapa do núcleo do plasma e minimizaria a quantidade que atingia a parede do divertor.

“A ideia é injetar impurezas leves, como o lítio, boro, ou berílio para a região do divertor, de modo a irradiar grande parte da energia, Ono explicou. “O truque será entrar rápido o suficiente para proteger o divertor com muito pouca radiação afetando o núcleo do plasma. Você não quer injetar muito material de impureza - apenas o suficiente para fazer o trabalho. "

Os pesquisadores atualmente injetam lítio em tokamaks com simples, tecnologias baratas, como injetores de armas de gás e um sistema baseado em rodas de pás que injetam continuamente um fluxo de partículas. Contudo, Ono e Raman dizem que as armas de gás tendem a injetar uma carga de gás na câmara de vácuo que abriga o plasma central, o que pode causar problemas.

Injetor de alta velocidade

Os autores propõem substituir as armas de gás por um "injetor de partículas eletromagnéticas" semelhante ao que Raman vem desenvolvendo na Universidade de Washington. "Evitar a carga desnecessária de gás com um tempo de resposta rápido controlado é especialmente importante, "Disse Raman. O conceito proposto permaneceria em modo de espera até que fosse necessário, e então injetaria a carga radiativa em uma escala de tempo rápida.

Os avisos de fluxo de calor extremo podem vir de flashes repentinos de luz que as explosões de calor criariam na borda do plasma. Essas rajadas podem atingir o divertor em cerca de 10 milissegundos. O injetor de partículas eletromagnéticas dispararia rapidamente um projétil de alta velocidade na região do divertor para irradiar o fluxo de calor em movimento.

Os cientistas já aplicaram lítio líquido por meio de uma técnica diferente à borda do plasma no National Spherical Torus Experiment (NSTX), o precursor do National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U), a principal instalação de fusão atual na PPPL, e descobri que o metal reduziu o fluxo de calor do pico do divertor. Os autores agora propõem testar a aplicação de lítio com um injetor eletromagnético no NSTX-U quando a instalação estiver disponível após a conclusão dos reparos em andamento.

Se este teste for bem-sucedido, o aplicativo poderia ser testado em futuros tokamaks, como ITER, o tokamak internacional em desenvolvimento na França. "Este é um difícil, problema desafiador, "Ono disse sobre o controle do fluxo de calor extremo." É um problema de longo alcance e seria sensato ter certeza de que temos maneiras de minimizar o impacto. "