A investigação em Fusão Nuclear iniciou-se nos finais da década de cinquenta.
PORQUE É IMPORTANTE A INVESTIGAÇÃO EM FUSÃO NUCLEAR?
A maior parte da energia consumida na Terra é gerada, actualmente, a partir da queima de combustíveis fósseis: carvão, petróleo e gás natural.
Existem três razões fundamentais que justificam a necessidade da Humanidade aumentar a investigação científica e o desenvolvimento tecnológico de novas fontes de energia:
- As necessidades mundias em energia duplicarão ou triplicarão nos próximos 50 anos, em resultado do crescimento elevado da população e do desenvolvimento económico de Países que hoje são sub-desenvolvidos;
- As jazidas que são actualmente conhecidas estarão esgotados dentro de algumas décadas;
- Os efeitos nefastos para o ambiente (efeito de estufa e chuvas ácidas) do monóxido e do dióxido de carbono libertados pela queima de combustíveis fósseis aconselham a redução da utilização destes combustíveis.
Os Governos devem incentivar o desenvolvimento de todas as fontes alternativas de energia (biomassa, geotérmica, eólica, solar, fissão e fusão), uma vez que todas elas são necessárias para garantir as necessidades previstas para as próximas décadas e todas apresentam vantagens e desvantagens, relacionadas com a disponibilidade dos recursos, a sua distribuição global, o impacto ambiental e a segurança.
No estado actual do conhecimento científico, a Fusão Nuclear constitui o processo energético que apresenta maiores potencialidades para se transformar numa fonte de energia limpa, segura e praticamente inesgotável. De facto:
- As energias renováveis não conseguem proporcionar uma solução global para o problema energético da Humanidade;
- As actuais centrais nucleares de fissão são vistas com desconfianças pela Sociedade devido aos problemas relacionados com os seus lixos radioactivos, a segurança da operação do reactor e o transporte dos combustíveis radioactivos desde as jazidas até às centrais nucleares.
EM QUE CONSISTE A FUSÃO TERMONUCLEAR?
As reacções de fusão ocorrem quando os núcleos de dois elementos leves se fundem. Para isso, e como os dois núcleos têm carga eléctrica positiva, é preciso vencer a força de repulsão que se verifica entre eles. Ou seja, é necessário comunicar aos átomos dos dois reagentes uma energia suficientemente elevada para que seja vencida a força de repulsão entre os dois núcleos.
Um dos processos de aumentar a energia dos reagentes consiste no seu aquecimento até temperaturas muito elevadas, da ordem dos milhões de graus centígrados, o que justifica a designação de fusão termonuclear.
A estas temperaturas os reagentes estão no chamado quarto estado da matéria: o estado de plasma.
QUAIS AS RAZÕES PORQUE É DIFÍCIL ATINGIR A FUSÃO TERMONUCLEAR NUM LABORATÓRIO?
As razões que dificultam a obtenção da fusão termonuclear num laboratório são os métodos de aquecimento dos reagentes, a criação dos campos magnéticos necessários para o confinamento dos reagentes, as propriedades muito exigentes dos materiais necessários para construir o recipiente onde vão ocorrer as reacções de fusão e o confinamento dos reagentes durante o tempo suficiente para que as reacções ocorram.
QUAIS AS RAZÕES PORQUE AS REACÇÕES DE FUSÃO OCORREM COM FACILIDADE NO SOL?
As reacções de fusão que transformam no Sol o Hidrogénio em Hélio são possíveis porque a temperatura e a densidade no núcleo desta estrela são mantidas em níveis muito elevados devido à compressão de grandes quantidades de material pela força de gravidade.
QUAIS SÃO AS PRINCIPAIS CONFIGURAÇÕES MAGNÉTICAS USADAS NO CONFINAMENTO DE UM PLASMA?
As principais configurações magnéticas usadas no confinamento de um plasma são as configurações toroidais conhecidas pelas designações de tokamak, stelarator e “reversed field pinch”.
PORQUE RAZÃO SE PASSOU DOS DISPOSITIVOS EXPERIMENTAIS LINEARES PARA OS TOROIDAIS?
Os dispositivos experimentais lineares, onde foram realizadas as primeiras experiências de Física de Plasmas, foram abandonados por duas razões fundamentais:
(i) Nas máquinas lineares o plasma escapa-se através das duas bases, uma vez que não existe confinamento magnético axial;
(ii) Os dispositivos experimentais toroidais funcionam como circuitos fechados, o que permite gerar uma corrente eléctrica, que contribui para a estabilização do plasma (uma configuração magnética toroidal é instável devido à existência de um gradiente de campo magnético perpendicular ao próprio campo) e para o aquecimento do plasma por dissipação de calor por efeito de Joule.
Ao passarmos de uma experiência linear para uma toroidal, as linhas de força do campo magnético deixam de ser linhas paralelas e passam a ser circunferências concêntricas.
Como estas circunferências têm raios diferentes, o campo magnético de confinamento, que era aproximadamente uniforme numa experiência linear, é agora mais intenso na parte interior do toro (região em que as circunferências têm raios menores) do que na parte exterior da experiência. Ou seja, criou-se um gradiente do campo magnético perpendicular à direcção do próprio campo de confinamento.
A acção conjunta do campo magnético toroidal e do seu gradiente radial origina uma força que tende a atirar o plasma para fora do campo magnético, ou seja a destabilizar a coluna de plasma.
Por isso, a passagem da geometria linear para a toroidal coloca um problema novo na operação do dispositivo experimental, a estabilização da coluna de plasma, o qual é resolvido através da torsão das linhas de força do campo magnético, as quais passam a ser helicoidais.
As três configurações magnéticas correspondem a formas diferentes de estabilizar a coluna de plasma. De facto, esta estabilização pode ser feita utilizando um campo magnético criado:
- Pela corrente eléctrica que percorre o próprio plasma (tokamak);
- Por bobines exteriores, não planas, que criam por si um campo magnético com a helicidade adequada (stelarator);
- Por um sistema misto que usa a corrente gerada no plasma e o campo criado por bobines exteriores (reversed field pinch).
QUAIS SÃO AS COMPONENTES TÍPICAS DE UM TOKAMAK?
As componentes típicas de um tokamak são: câmara de vácuo, sistemas de vácuo e de injecção de gás, transformador, solenóide central, solenóide toroidal, solenóide poloidal, limitador ou diversor, sistema de pre-ionização do gás, bancos de condensadores, sistemas de aquecimento auxiliar, diagnósticos e sistema de controlo e aquisição de dados.
Desenho esquemático de um Tokamak
A energia armazenada num banco de condensadores é descarregada no primário de um transformador, cujo secundário é o gás ionizado que preenche a câmara de vácuo e que está confinado por um campo magnético toroidal.
A descarga do banco de condensadores origina um fluxo magnético decrescente no tempo que percorre o núcleo de ferro do transformador, o qual por sua vez cria um campo eléctrico induzido no gás ionizado, definido pela Lei Geral de Indução.
Sob a acção deste campo eléctrico, as partículas carregadas do gás ionizado vão ser aceleradas na direcção e sentido do campo (os iões) e no sentido contrário (os electrões).
Estes movimentos das partículas carregadas originam uma corrente eléctrica que se designa por corrente de plasma (I p ), a qual:
- Cria um campo magnético poloidal que vai ajudar a estabilização da coluna de plasma;
- Vai aquecer o plasma por efeito de Joule (aquecimento óhmico).
O funcionamento do tokamak é interrompido quando o plasma deixa de estar confinado ou o núcleo de ferro do transformador atingiu a saturação. A primeira condição acontece quando a energia interna do meio supera uma fracção da pressão magnética associada ao campo que procede ao confinamento do plasma (Limite de Troyon). A saturação do núcleo de ferro é devida ao ciclo de histerese do ferro.
Um stelarator é um dispositivo toroidal de confinamento de um plasma de fusão no qual o campo magnético poloidal é criado por bobinas helicoidais externas, não-planas.
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Vista do Stellarator TJ-II (Ciemat) |
Desenho esquemático do plasma e das bobines do campo magnético doW7-X (GreisFwald) |
O QUE É UM “REVERSED FIELD PINCH”?
Um “reversed field pinch” é um dispositivo toroidal de confinamento de um plasma de fusão em que os campos magnéticos toroidal e poloidal têm intensidades semelhantes. Para manter a estabilidade do plasma, o campo toroidal inverte-se próximo da periferia do plasma, quando a corrente de plasma excede um valor crítico.
Vista do RFX (Pádua)
COMO SE AQUECE UM PLASMA NUM DISPOSITIVO EXPERIMENTAL DE FUSÃO?
O plasma de um dispositivo experimental de fusão pode ser aquecido através da dissipação de calor por efeito de Joule (aquecimento óhmico), da injecção de feixes potentes de partículas neutras ou de rádio-frequência (aquecimento auxiliar) ou das partículas-alfa que são criadas num plasma de Deutério e Trítio (auto-aquecimento).
O aquecimento óhmico é importante nos tokamaks e permite aquecer o plasma até temperaturas da ordem de 1 keV, dado que a resistividade do plasma varia com T -3/2 , sendo muito baixa para temperaturas desta ordem de grandeza, criando praticamente um curto-circuito no plasma.
No aquecimento por partículas neutras, conhecido pelo acrónimo NBI (de “Neutral Beam Injection”), a potência injectada vai ser transmitida ao plasma através de colisões entre as partículas do feixe e do plasma.
O aquecimento por rádio-frequência usa a possibilidade de transmitir energia às partículas do plasma que forem ressonantes com a onda. Estas ressonâncias podem ocorrer, por exemplo, nas frequências ciclotrónicas iónica e electrónica. Estes dois tipos de aquecimento são representados pelos acrónimos ICRH (“Ion Cyclotron Ressonant Heating”) e ECRH (“Electron Cyclotron Ressonant Heating”).
O aquecimento pelas partículas- a , criadas pelas reacções entre o Deutério e o Trítio, é feito através das colisões destas partículas energéticas com os iões do plasma.
Uma partícula a é um núcleo de um átomo da Hélio, que consiste em dois protões e dois neutrões, e é um produto das reacções D-T que ocorrem numa máquina de fusão. Estas partículas energéticas são essenciais para o aquecimento do plasma nas condições de ignição.
COMO SE CARACTERIZA O BALANÇO ENERGÉTICO NUMA MÁQUINA DE FUSÃO NUCLEAR?
O saldo energético de uma máquina de Fusão Nuclear resulta do balanço entre o aquecimento do plasma e as perdas energéticas do sistema, por exemplo, por radiação, por efeito de Brehmstralung e por emissão ciclotrónica.