Experimentos de fusão nuclear com deutério e trítio no Joint European Torus são um ensaio geral crucial para o mega-experimento.
Um reator pioneiro na Grã-Bretanha está se preparando para iniciar os testes essenciais de uma mistura de combustível que, eventualmente, irá alimentar o ITER – o maior experimento de fusão nuclear do mundo. A fusão nuclear é o fenômeno que alimenta o Sol e, se os físicos pudessem aproveitá-lo na Terra, seria uma fonte de energia quase ilimitada.
Em dezembro, pesquisadores do Joint European Torus (JET) começaram a conduzir experimentos de fusão com trítio – um isótopo raro e radioativo de hidrogênio. A instalação é uma maquete de um décimo do volume do projeto ITER de US $ 22 bilhões e tem o mesmo design “tokomak” em forma de donut – a abordagem mais desenvolvida do mundo para a energia de fusão. É a primeira vez desde 1997 que pesquisadores fazem experimentos em um tokamak com qualquer quantidade significativa de trítio.
Em junho, o JET começará a fundir até mesmo quantidades de trítio e deutério, outro isótopo de hidrogênio. É essa mistura de combustível que o ITER usará em sua tentativa de criar mais potência a partir de uma reação de fusão do que a que é aplicada – algo que nunca foi demonstrado antes. O reator deve aquecer e confinar um plasma de deutério e trítio de modo que a fusão dos isótopos em hélio produza calor suficiente para sustentar outras reações de fusão.
“É muito empolgante agora, finalmente, chegar ao ponto em que podemos colocar em prática o que estivemos preparando todos esses anos”, diz Joelle Mailloux, que co-lidera o programa científico do JET. “Estamos prontos para isso.”
Teste
Os experimentos do JET ajudarão os cientistas a prever como o plasma no tokamak ITER se comportará e a elaborar as configurações operacionais do mega-experimento. “É o mais próximo que podemos chegar de alcançar as condições do ITER nas máquinas atuais”, diz Tim Luce, cientista-chefe do ITER, perto de Cadarache, na França. Os experimentos são o culminar de cerca de duas décadas de trabalho, diz Luce. O ITER começará a operar com reações de hidrogênio de baixa potência em 2025. Mas a partir de 2035, ele funcionará com uma mistura 50:50 de deutério e trítio.
Tanto o ITER quanto o JET, com base no Centro Culham para Energia de Fusão (CCFE), perto de Oxford, usam campos magnéticos extremos para confinar o plasma em um anel e aquecê-lo até que a fusão ocorra. As temperaturas no JET podem chegar a 100 milhões de graus, muitas vezes mais quentes do que o núcleo do Sol.
Os últimos experimentos de fusão tokamak do mundo com trítio também ocorreram no JET. A meta então era atingir a potência de pico e a instalação conseguiu atingir uma relação recorde de potência de saída para potência de entrada (conhecido como valor Q) de 0,67. Esse recorde ainda permanece hoje; 1 seria o ponto de equilíbrio. Mas este ano, o objetivo é sustentar um nível semelhante de poder de fusão por 5 segundos ou mais, para extrair o máximo de dados possível dos experimentos e entender o comportamento de plasmas de longa duração.
Trabalhar com trítio apresenta desafios únicos – os pesquisadores do JET passaram mais de dois anos remontando elementos de suas máquinas e se preparando para manusear o material radioativo. O isótopo decai rapidamente, por isso ocorre apenas em pequenas quantidades na natureza e geralmente é feito como um subproduto em reatores de fissão nuclear; o suprimento mundial é de apenas 20 quilos.
Parte do desafio de lidar com o trítio é que suas reações com o deutério produzem nêutrons a uma taxa muito maior do que as reações com o deutério sozinho. Reatores comerciais irão capturar a energia desses nêutrons para gerar eletricidade, mas no JET, as partículas de alta energia irão salpicar o interior da máquina e danificar os sistemas de diagnóstico. Isso significa que a equipe do JET teve que mover câmeras e outros instrumentos por trás da blindagem de concreto, disse Ian Chapman, que lidera o CCFE.
“Tivemos que atualizar e renovar todos os nossos processos”, desde o armazenamento até o manuseio, diz Chapman. Assim que os experimentos com trítio começarem, o bombardeio de nêutrons tornará a instalação interna radioativa, então ela se tornará uma zona proibida para humanos por 18 meses. A equipe, portanto, teve que se acostumar com uma mentalidade semelhante à dos engenheiros que enviam embarcações para o espaço: “Você não pode simplesmente entrar e consertar as coisas, tem que funcionar na primeira vez”, diz Chapman.
Pulsos de trítio
A campanha do JET usará menos de 60 gramas de trítio, que será reciclado. O combustível contendo uma fração de grama de trítio será injetado no tokamak de 3 a 14 vezes ao dia. Cada uma dessas descargas será um experimento individual com parâmetros ligeiramente diferentes e gerará entre 3 e 10 segundos de dados úteis, diz Mailloux. “O que buscamos são informações físicas que possamos usar para validar nosso entendimento e, então, podemos aplicá-las na preparação da máquina futura”, diz ela.
Alguns experimentos usarão apenas trítio; outros combinarão deutério e trítio em proporções iguais. Ambos os tipos de experimento são importantes, porque um objetivo principal é entender o efeito da massa maior do trítio no comportamento do plasma (o trítio tem dois nêutrons em seu núcleo, enquanto o deutério tem um e o hidrogênio nenhum). Isso ajudará a prever o impacto do uso de diferentes isótopos no ITER. A massa dos isótopos influencia as condições – como campo magnético, corrente, aquecimento externo – necessárias para o plasma atingir um estado crucial conhecido como confinamento. (Neste estado, as partículas de energia mais alta permanecem dentro do gás ionizado, e isso é importante para manter a temperatura do plasma). “Queremos explorar isso e entender por quê”, diz Anne White, uma física de plasma do Instituto de Tecnologia de Massachusetts em Cambridge.
Outra grande diferença em relação aos experimentos de 1997 é que o JET foi reformado para que os materiais internos que protegem a máquina contra os efeitos do calor e do bombardeio de nêutrons e removem as impurezas do plasma correspondam aos do projeto do ITER. Como esses materiais podem irradiar de volta para o plasma e resfriá-lo, é fundamental entender como eles interagem com o processo de fusão.
A última geração de cientistas de fusão nunca trabalhou com trítio, o que torna ainda mais importante fazer os experimentos, diz Chapman. “É um grande negócio. As pessoas estão assistindo”, acrescenta Luce.
Publicado em 23/02/2021 12h27
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