Qual é a conexão entre o boro, um elemento em um limpador doméstico comum, e os tokamaks, instalações de fusão em forma de anel que aquecem o combustível a temperaturas de milhões de graus? Cientistas do Departamento de Energia dos EUA (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) conduziram pesquisas mostrando que um conta-gotas de pó desenvolvido pela PPPL pode lançar com sucesso pó de boro em plasma de alta temperatura dentro de tokamaks que têm partes feitas de um material resistente ao calor conhecido como tungstênio. Os cientistas querem confirmar que podem usar esse processo para aplicar boro em peças de tungstênio, porque paredes nuas de tungstênio podem prejudicar o desempenho do plasma se o plasma danificar o tungstênio.
Devido ao seu alto ponto de fusão, o tungstênio é cada vez mais usado em tokamaks para ajudar os componentes a suportar o calor intenso do processo de fusão. O boro protege parcialmente o tungstênio do plasma e evita que o tungstênio vaze para o plasma; ele também absorve quaisquer elementos dispersos, como oxigênio, que podem estar no plasma de outras fontes. Essas impurezas indesejadas podem resfriar o plasma e extinguir as reações de fusão.

"Precisamos de uma maneira de depositar revestimentos de boro sem desligar o campo magnético dos tokamaks, e é isso que o conta-gotas de pó nos permite fazer", disse Grant Bodner, pesquisador de pós-doutorado do PPPL que foi o principal autor do trabalho de pesquisa relatando a resulta em Fusão Nuclear . A pesquisa foi realizada usando o W Environment in Steady-State Tokamak (WEST), operado pela Comissão de Energia Atômica (CEA) da França. "WEST é um dos poucos ambientes de tungstênio completo que podem nos ajudar a testar essa tecnologia em pulsos longos", disse Bodner.

Outra razão pela qual os físicos realizaram seus experimentos usando o WEST é que seus ímãs são feitos de material supercondutor que aparecerá em ímãs dentro de futuros dispositivos de fusão. Esse material conduz eletricidade com pouca ou nenhuma resistência e produz pouco excesso de calor para que os ímãs possam operar sem parar por longos períodos de tempo, como os futuros reatores de fusão terão que fazer. Os ímãs criam as forças que restringem o plasma para que ele possa sofrer fusão.

A fusão, o poder que impulsiona o sol e as estrelas, combina elementos leves na forma de plasma – o estado quente e carregado da matéria composto de elétrons livres e núcleos atômicos – que gera enormes quantidades de energia. Os cientistas estão procurando replicar a fusão na Terra para um suprimento virtualmente inesgotável de energia para gerar eletricidade.

Os cientistas precisam de uma maneira de reabastecer os revestimentos de boro enquanto as máquinas estão operando, porque as futuras instalações de fusão não poderão ser fechadas com frequência para re-revestimento. “Colocar boro em um tokamak enquanto ele está funcionando é como limpar seu apartamento enquanto faz todas as outras coisas que você costuma fazer nele”, disse o cientista da CEA Alberto Gallo, que contribuiu para a pesquisa. “É muito útil – significa que você não precisa tirar mais tempo de suas atividades habituais para fazer a limpeza”, disse ele.

O dispositivo conta-gotas de pó é montado no topo do tokamak e usa atuadores precisos para mover o material em pó de seus reservatórios para a câmara de vácuo do tokamak. Esse mecanismo permite que os pesquisadores definam com precisão a taxa e a duração das gotas de pó, que em outras instalações de fusão podem incluir outros materiais que aumentam o desempenho, como o lítio. "Por causa dessa flexibilidade, o conta-gotas tem potencial para ser realmente útil no futuro", disse Bodner.

Os pesquisadores ficaram surpresos ao descobrir que o boro depositado pelo conta-gotas fazia mais do que condicionar as superfícies internas de tungstênio. “Vimos que, quando colocamos o pó, o confinamento do plasma aumentou, o que significa que ele retém mais calor, o que ajuda no processo de fusão”, disse Bodner.

O aumento do confinamento foi especialmente útil porque ocorreu sem que o plasma entrasse em um estado conhecido como modo H (modo de alto confinamento), no qual o confinamento melhora, mas é mais provável que o plasma entre em erupção com o que é conhecido como modos localizados na borda, ou ELM. Esses ELMs movem o calor para fora do plasma, reduzindo a eficiência das reações de fusão e, às vezes, danificando os componentes internos. “Se pudermos usar o conta-gotas para obter o bom confinamento do modo H sem realmente entrar no modo H e arriscar ELMs, isso seria ótimo para reatores de fusão”, disse Bodner.

No futuro, os pesquisadores querem testar usando o conta-gotas apenas quando necessário para manter o bom desempenho do plasma. "Adicionar quaisquer impurezas extras, mesmo boro, pode reduzir a quantidade de poder de fusão que você obtém porque o plasma se torna menos puro", disse Bodner. "Portanto, temos que tentar usar a menor quantidade de boro que ainda possa produzir os efeitos que queremos."

Os próximos experimentos se concentrarão em quanto boro está realmente revestindo as superfícies de tungstênio. "Queremos medir esses valores para que possamos realmente quantificar o que estamos fazendo e estender esses resultados no futuro", disse Bodner. + Explorar mais

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