É um processo permanente nos corações das estrelas. A fusão consiste na montagem de núcleos de hidrogénio em hélio e pode representar a próxima revolução energética: na verdade, produz muito poucos resíduos radioactivos de longa vida e é mais estável que a fissão. Esta busca pela sustentabilidade envolve, em particular, a superação de um limite de densidade eletrônica do plasma encontrado em um reator de fusão, denominado “limite de Greenwald”, considerado por muito tempo intransponível.
No entanto, os pesquisadores chineses responsáveis pelo tokamak EAST (“Experimental Advanced Superconducting Tokamak”) – uma câmara de confinamento magnético em forma de toro (donut), onde um plasma (elétrons e íons) é aquecido a temperaturas muito altas para produzir energia – conseguiram ultrapassar a densidade de Greenwald. Este parâmetro depende essencialmente da corrente elétrica injetada no tokamak e do seu tamanho, podendo ser estimado em 1,6 vezes 1020 elétrons por m3. Os resultados da experiência chinesa são apresentados na revista Avanços da Ciência.
Um reator que verifica uma teoria recente
Apelidado de “Sol Artificial”, o tokamak EAST, localizado em Hefei (no leste da China), aplica o processo de confinamento magnético: o deutério – um isótopo do hidrogênio – é injetado em uma câmara magnética vazia e aquecido a temperaturas altíssimas para criar plasma (elétrons e íons), que pode chegar a 150 milhões de graus! Para garantir que o gás ionizado não escape, um campo magnético muito poderoso é gerado dentro do tokamak para confinar o plasma quente. “O plasma é quase eletricamente neutro: contém quase tantos elétrons quanto íons. Para que a fusão comece, essa densidade deve ser suficientemente alta, pois determina diretamente a potência das reações.“, enfatiza Ciência e Futuro Ping Zhu, físico que trabalha em conjunto com a Universidade de Ciência e Tecnologia Huazhong (China) e a Universidade Wisconsin-Madison (Estados Unidos), e co-autor principal do estudo.
Outros reactores de fusão nuclear como o T-10 ou o DIII-D – localizados respectivamente em Moscovo e San Diego (Estados Unidos) – já ultrapassaram muito brevemente o limite de Greenwald. Mas o tokamak chinês se destaca pela confirmação experimental de uma teoria desenvolvida em 2021 e chamada de “teoria da auto-organização da parede de plasma” (abreviada como PWSO). Estabelece uma ligação entre a eficiência da fusão e a estanqueidade da parede do reator.
“Esta teoria prevê a existência de dois regimes de densidade plasmática devido à perda de potência de radiação causada pela pulverização de impurezas (átomos liberados por componentes em contato com o plasma quando são bombardeados por partículas energéticas provenientes do plasma, como tungtsen ou molibdênio, nota do editor) nas paredes do reator. O primeiro regime corresponde à densidade limite de Greenwald enquanto o segundo é o novo regime descoberto nas experiências EAST, onde a densidade do plasma é superior à de Greenwald.detalha Dominique Escande, físico da Universidade de Aix-Marseille que formulou essa ideia.
Configuração da sala LESTE. O plasma (laranja) é aquecido por microondas (ECRH ou Electron Cyclotron Radiation Heating) e confinado em uma câmara toroidal (em forma de donut) usando um poderoso campo magnético. O deutério é injetado em pequenas quantidades através de uma válvula cilíndrica (“sopro de gás”). A energia injetada é parcialmente perdida na forma de radiação enquanto a energia disponível mantém a fusão. Crédito: Yan Ning.
Rumo a reatores de fusão operacionais
O reator chinês EAST conseguiu assim manter um plasma durante vários segundos, num regime de densidade superior ao limite de Greenwald. Este feito experimental fornece uma confirmação sem precedentes da teoria PWSO.
O valor recorde de 1,65 vezes o valor limite de Greenwald alcançado pode, no entanto, ser excedido. “A teoria PWSO não prevê um limite superior absoluto no regime de densidade livre. explica Ping Zhu. “No experimento EAST, apenas um quarto da potência do processo ECRH (do microondas, em ressonância com os elétrons, são emitidas para aquecer o plasma e ionizar o deutério, a fim de evitar impurezas radiativas e interações com as paredes, nota do editor) é aplicado. Isto deixa espaço significativo para melhorias, ultrapassando o valor de 1,65 vezes o limite de Greenwald.“
“Os resultados do nosso experimento sugerem um caminho prático e adaptável para ultrapassar os limites de densidade dos tokamaks, especialmente os da nova geração“, conclui o cientista chinês em comunicado de imprensa.
O recorde atual de manutenção de plasma (gás quente) é de 22 minutos no reator Oeste da Comissão de Energia Atómica (CEA), localizado em Cadarache. (Bocas do Ródano). Destina-se a preparar o vasto projecto Iter, previsto para estar operacional em 2033. Resta saber se estes regimes de densidade “livres” podem ser mantidos durante períodos de tempo compatíveis com a produção contínua de energia, representando o grande desafio da futura fusão.