Energia de Fusão Nuclear: Do Pinch Toroidal ao Tokamak

O que é fusão nuclear?

Fusão nuclear é a reação em que dois núcleos atômicos colidem e se transformam em um único núcleo mais pesado. Basicamente, como os núcleos atômicos têm carga positiva devido aos prótons em seu interior, quando dois núcleos se aproximam, eles se repelem devido à força eletrostática. No entanto, se os núcleos forem aquecidos a temperaturas extremamente altas, sua energia cinética pode superar a repulsão elétrica, permitindo que os dois núcleos colidam. Uma vez que os núcleos se aproximam o suficiente, a força nuclear forte atua, fazendo com que se combinem em um único núcleo.

No final da década de 1920, quando se descobriu que a fonte de energia das estrelas era a fusão nuclear e foi possível explicar fisicamente a fusão nuclear, iniciaram-se discussões sobre a possibilidade de utilizar a fusão nuclear em benefício da humanidade. Pouco depois do fim da Segunda Guerra Mundial, a ideia de controlar e utilizar a energia de fusão foi seriamente considerada, e pesquisas começaram em universidades britânicas como Liverpool, Oxford e Londres.

Ponto de equilíbrio e condição de ignição

Um dos problemas fundamentais para a geração de energia por fusão nuclear é que a energia produzida pela reação de fusão deve ser maior que a energia inicialmente fornecida. Na reação DT, são produzidas partículas alfa e nêutrons, com 20% da energia liberada pela fusão sendo carregada pelas partículas alfa e 80% pelos nêutrons. A energia das partículas alfa é usada para aquecer o plasma, enquanto a energia dos nêutrons é convertida em energia elétrica. Inicialmente, é necessário fornecer energia externa para aumentar a temperatura do plasma, mas quando a taxa de reação de fusão aumenta suficientemente, a energia das partículas alfa sozinha pode aquecer o plasma, permitindo que a reação de fusão se sustente. Este ponto é chamado de ignição e ocorre na faixa de temperatura de 10-20 keV (aproximadamente 100-200 milhões de K) quando $nT\tau_{E} > 3 \times 10^{21} m^{-3} keVs$, ou seja, quando $\text{pressão do plasma}(P) \times \text{tempo de confinamento de energia}(\tau_{E}) > 5$.

Pinch Toroidal (toroidal pinch)

Em 1946, Peter Thonemann conduziu pesquisas no Laboratório Clarendon da Universidade de Oxford sobre o confinamento de plasma em um toro usando o efeito pinch.

Como mostrado na figura, quando uma corrente é passada através do plasma, um campo magnético é formado ao redor da corrente, e a interação entre a corrente e o campo magnético resulta em uma força direcionada para o interior. Teoricamente, se a corrente for suficientemente grande, o efeito pinch pode impedir que o plasma toque as paredes. No entanto, os experimentos mostraram que este método era muito instável e, portanto, quase não é mais estudado atualmente.

Stellarator

No início da década de 1950, Lyman Spitzer, um astrofísico da Universidade de Princeton, inventou um novo dispositivo de confinamento de plasma e o chamou de stellarator. Diferentemente do pinch toroidal, onde o campo magnético é criado pela corrente que flui através do próprio plasma, no stellarator o campo magnético é formado apenas por bobinas externas. O stellarator tem a vantagem de poder manter o plasma estável por longos períodos, e ainda é considerado como tendo potencial suficiente para ser aplicado em usinas de fusão reais. As pesquisas continuam ativamente.

Tokamak (toroidalnaya karmera magnitnaya katushka)

Na década de 1960, a pesquisa sobre fusão entrou em um período de estagnação, mas foi nessa época que o Instituto Kurchatov em Moscou concebeu o primeiro tokamak, encontrando uma nova direção. Quando os resultados do tokamak foram apresentados em uma conferência científica em 1968, a maioria dos países mudou sua direção de pesquisa para o tokamak, que se tornou o método de confinamento magnético mais promissor atualmente. O tokamak tem a vantagem de poder manter o plasma por longos períodos e ter uma estrutura muito mais simples do que o stellarator.

Grandes dispositivos Tokamak e o projeto ITER

Desde a década de 1970, grandes dispositivos tokamak foram construídos para se aproximar ainda mais da geração real de energia por fusão, com o JET da União Europeia, o TFTR de Princeton nos EUA e o JT-60U do Japão sendo os mais representativos. Com base nos dados obtidos de dispositivos experimentais em pequena escala, a pesquisa para aumentar a potência nesses grandes tokamaks foi conduzida constantemente, chegando quase ao ponto de equilíbrio. Atualmente, para verificar finalmente a viabilidade da energia de fusão, China, União Europeia, Índia, Japão, Coreia, Rússia e Estados Unidos estão colaborando no projeto ITER, o maior projeto internacional conjunto da humanidade.

Referências

• Khatri, G.. (2010). Toroidal Equilibrium Feedback Control at EXTRAP T2R.
• Garry McCracken, Peter Stott, 핵융합: 우주의 에너지, 유창모 외 2명 번역, 북스힐