O maior experimento de fusão do mundo, o ITER, pode liberar mais energia do que se pensava anteriormente.
Isso porque uma equipe de cientistas do Swiss Plasma Center, um dos principais institutos de pesquisa de fusão nuclear do mundo, divulgou um estudo atualizando um princípio fundamental da geração de plasma, revela um comunicado à imprensa.
Sua pesquisa mostra que o próximo tokamak ITER pode operar usando o dobro da quantidade de hidrogênio que se acreditava ser sua capacidade total, o que significa que poderia gerar muito mais energia de fusão nuclear do que se pensava anteriormente.
Elevando a fasquia para a fusão nuclear
“Uma das limitações na produção de plasma dentro de um tokamak é a quantidade de combustível de hidrogênio que você pode injetar nele”, explicou Paolo Ricci, do Centro Suíço de Plasma do Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Lausanne (EPFL).
“Desde os primeiros dias da fusão, sabemos que se você tentar aumentar a densidade do combustível, em algum momento haveria o que chamamos de “interrupção” – basicamente você perde totalmente o confinamento, e o plasma vai para qualquer lugar”, Ricci contínuo. “Então, nos anos 80, as pessoas estavam tentando criar algum tipo de lei que pudesse prever a densidade máxima de hidrogênio que você pode colocar dentro de um tokamak.”
Em 1988, o cientista de fusão Martin Greenwald publicou uma famosa lei correlacionando a densidade do combustível com o raio menor de um tokamak (o raio do círculo interno do reator esférico), bem como a corrente que flui no plasma mantido no tokamak. A lei, chamada de “limite de Greenwald”, tornou-se um princípio fundamental da pesquisa em fusão nuclear e orientou a estratégia por trás do maior experimento de fusão do mundo, o ITER da Europa.
Agora, o novo estudo da equipe da EPFL, publicado na Physical Review Letters, destaca o fato de que o limite de Greenwald foi derivado de dados experimentais.
“Greenwald derivou a lei empiricamente, ou seja, completamente de dados experimentais – não uma teoria testada, ou o que chamaríamos de ‘primeiros princípios'”, explicou Ricci. “Ainda assim, o limite funcionou muito bem para a pesquisa. E, em alguns casos, como o DEMO (sucessor do ITER), essa equação constitui um grande limite para sua operação porque diz que você não pode aumentar a densidade do combustível acima de um determinado nível.”
Trabalhando com outras equipes internacionais de tokamak, a equipe da EPFL projetou um experimento de última geração que permitiu medir com precisão a quantidade de combustível injetada em um tokamak. A investigação foi realizada nos maiores tokamaks do mundo: o Joint European Torus (JET) no Reino Unido, o ASDEX Upgrade na Alemanha (Max Plank Institute) e o próprio tokamak TCV da EPFL. As experiências conjuntas foram coordenadas pelo Consórcio EUROfusion.
Enquanto esses experimentos aconteciam, Maurizio Giacomin, Ph.D. estudante do grupo de Ricci, analisou os processos físicos que limitam a densidade em tokamaks para derivar uma lei de primeiros princípios que correlaciona densidade de combustível com tamanho de tokamak. Para fazer isso, eles tiveram que executar simulações em alguns dos maiores computadores do mundo, incluindo alguns do CSCS, o Centro Nacional Suíço de Supercomputação.
“O que descobrimos, através de nossas simulações”, explicou Ricci, “foi que, à medida que você adiciona mais combustível ao plasma, partes dele se movem da camada externa fria do tokamak, o limite, de volta ao seu núcleo, porque o plasma se torna mais turbulento”.
Ao contrário de um fio de cobre, que se torna mais resistente à medida que aquece, os pesquisadores dizem que o plasma se torna mais resistente à medida que esfria. Isso significa que quanto mais combustível você adiciona na mesma temperatura, mais ele esfria – tornando o fluxo de corrente no plasma mais difícil.
Uma nova equação para o limite de combustível em um tokamak
Embora simular turbulência no plasma fosse um grande desafio, Ricci e sua equipe conseguiram fazê-lo e escreveram uma nova equação para o limite de combustível em um tokamak com base em sua investigação. Segundo os pesquisadores, a nova equação faz jus ao limite de Greenwald, ao mesmo tempo em que o atualiza substancialmente.
Fundamentalmente, a nova equação postula que o limite de Greenwald pode ser aumentado para quase o dobro do seu valor atual quando se trata do combustível usado no ITER, o que significa que pode usar quase o dobro do combustível sem interrupção.
O ITER e outros projetos globais de tokamak visam liberar o poder da fusão nuclear, que tem o potencial de produzir energia quase ilimitada usando o mesmo método que o Sol e as estrelas. Espera-se que o ITER comece a operar com reações de hidrogênio de baixa potência em 2025.
Publicado em 28/05/2022 21h49
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