Brasileiro elucida enigma para geração de energia por fusão nuclear

Com informações da Agência Fapesp 

O ITER, primeiro protótipo de reator de fusão nuclear, será um laboratório, não produzindo eletricidade para a rede. [Imagem: ITER]

Desafio da fusão nuclear

Com as mais recentes esperanças depositadas na fusão nuclear sem radiação, a busca por domar o processo de geração de energia das estrelas continua dependendo não apenas da solução de problemas de engenharia, mas também de muito conhecimento fundamentado em ciência básica.

A geração controlada e regular de energia por meio da fusão nuclear, com a conversão de hidrogênio em hélio, reproduzindo na Terra, em pequena escala, o que ocorre no Sol e em outras estrelas, é uma das grandes promessas tecnológicas para as próximas décadas.

O maior protótipo de reator de fusão nuclear, o ITER - cujo nome significa "o caminho", em latim -, por exemplo, um megaprojeto internacional de €20 bilhões, não conseguirá fornecer energia para a rede elétrica. Ele será o primeiro equipamento do tipo tokamak - termo formado pelo acrônimo da expressão em russo para "câmara toroidal com bobinas magnéticas" - em que a energia gerada será maior do que a energia necessária para colocá-lo em funcionamento, mas servirá tão somente para testar as múltiplas complexidades técnicas inerentes ao processo, servindo de modelo para máquinas mais poderosas e capazes de gerar eletricidade útil.

Fusão autossustentável

Para que tudo isso dê certo, porém, existe uma questão crucial: garantir que o processo de fusão nuclear se torne autossustentável, impedindo que a perda de energia por meio de radiação eletromagnética e do escape de partículas alfa - o núcleo atômico do hélio, formado por dois prótons e dois nêutrons - desaqueça o reator.

Resultados experimentais observados ao longo dos 20 últimos anos mostraram que a forma pela qual os íons rápidos (dentre os quais as partículas alfa) são ejetados do plasma varia muito entre diferentes tokamaks. Só que ninguém compreendia quais condições experimentais determinavam esse comportamento.

Esse problema acaba de ser elucidado por um pesquisador brasileiro, Vinícius Njaim Duarte, atualmente realizando trabalho de pós-doutoramento no Laboratório de Física do Plasma de Princeton, nos Estados Unidos.

A repercussão do trabalho de Vinícius foi tanta que, no maior tokamak dos Estados Unidos, o DIII-D, foram realizados experimentos dedicados a testar o modelo por ele proposto. E os resultados experimentais confirmaram as predições do modelo.

"Ondas eletromagnéticas excitadas por partículas rápidas em tokamaks podem apresentar variações bruscas de frequência que, em inglês, são chamadas de chirping [o chilrear dos pássaros]. Não se compreendia por que em algumas máquinas isso aparecia e em outras não. Usando modelagem numérica bastante complexa e dados experimentais, Vinícius mostrou que a produção ou não do chirping - e, portanto, o caráter da perda de partículas e energia - depende do nível de turbulência do plasma existente no interior do tokamak, no qual estão ocorrendo as reações de fusão nuclear. Se o plasma não for muito turbulento, o chirping acontece. Mas, se for muito turbulento, não," explicou o professor Ricardo Magnus Galvão, que foi o orientador do doutoramento de Vinícius no Instituto de Física da Universidade de São Paulo (IFUSP).

Os dados experimentais colhidos no reator DIII-D, nos EUA, confirmaram o trabalho teórico do pesquisador brasileiro. [Imagem: V. N. Duarte et al. - 10.1063/1.5007811]

Auto-organização

Na fusão nuclear - diferente da fissão nuclear, que ocorre nos atuais reatores atômicos - os núcleos atômicos de elementos mais leves, como deutério (um próton e um nêutron) e trítio (um próton e dois nêutrons), que são dois isótopos do hidrogênio, se fundem, formando núcleos de elementos mais pesados, neste caso hélio - dois prótons e dois nêutrons -, gerando energia.

"Para que a fusão possa ocorrer, é preciso superar a repulsão eletrostática entre os íons positivos. Isso só é possível se o gás ionizado [plasma] constituído pelos núcleos dos elementos leves for aquecido a temperaturas altíssimas, da ordem de dezenas a centenas de milhões de graus Celsius," explicou Ricardo. "Nessa temperatura elevadíssima, a vibração dos íons faz com que um se choque com o outro, vencendo a repulsão eletrostática. Um poderoso campo magnético confina o fluxo do plasma, impedindo que ele entre em contato com as paredes do equipamento. E as partículas alfa [núcleos de hélio] formadas, altamente energizadas, colidem com outras partículas do plasma, mantendo-o aquecido, de forma que a reação de fusão se torne autossustentável."

O problema é que a interação ressonante entre partículas alfa e ondas presentes no plasma pode fazer com que sejam excitadas oscilações eletromagnéticas ou mesmo que partículas alfa sejam ejetadas, levando à perda de energia, ao desaquecimento do plasma e à eventual interrupção do regime de fusão nuclear.

"O que Vinícius constatou foi que esse desfecho acontece de maneira auto-organizada, com produção do chirping, se o plasma não for muito turbulento. Mas, se for muito turbulento, não," explicou Ricardo.

Os físicos experimentais já sabiam, empiricamente, como induzir maior ou menor turbulência, mas não sabiam que isso teria efeito na alteração da natureza espectral das ondas associadas às estruturas das partículas. A contribuição de Vinícius foi identificar o mecanismo-chave de controle e explicar o porquê. Em termos de aplicação tecnológica, trata-se de estabelecer um "optimum" de turbulência: suficiente para impedir a perda de partículas e energia de forma auto-organizada, mas não tanta que possa criar outros efeitos indesejáveis ao confinamento do plasma como um todo.

Bibliografia:

Theory and observation of the onset of nonlinear structures due to eigenmode destabilization by fast ions in tokamaks
V. N. Duarte, H. L. Berk, N. N. Gorelenkov, W. W. Heidbrink, G. J. Kramer, R. Nazikian, D. C. Pace, M. Podestà, M. A. Van Zeeland
Physics of Plasmas
Vol.: 24, 122508
DOI: 10.1063/1.5007811