Resumo:
Pesquisadores do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA propuseram uma nova ideia para alcançar a fusão nuclear. Os seus últimos cálculos mostram que se a sequência de aquecimento e compressão do plasma for alterada, a energia necessária para alcançar a "ignição" em futuros reactores de fusão pode ser significativamente reduzida, abrindo assim um caminho mais eficiente para o desenvolvimento da fusão nuclear controlável.
A fusão nuclear é considerada uma das tecnologias de energia limpa mais promissoras do futuro. Seu princípio é o mesmo do processo de geração de energia no interior do sol. Ao permitir que os núcleos dos elementos leves sofram reações de fusão, enormes quantidades de energia podem ser libertadas quase sem emissões de gases com efeito de estufa. No entanto, é extremamente difícil replicar o ambiente extremo dentro do Sol na Terra, e os cientistas têm procurado a melhor maneira de obter reações de fusão estáveis durante décadas.
Desde a década de 1950, o campo da pesquisa em fusão tem se baseado principalmente no "critério de Lawson" para avaliar as condições de ignição por fusão. Esta teoria é usada para determinar se um plasma pode manter uma temperatura e densidade suficientemente altas por um tempo suficiente para continuar a reação de fusão com sua própria energia gerada, sem a necessidade de aquecimento externo.
No entanto, o critério de Lawson só pode descrever quais condições precisam ser atendidas, mas não indica claramente como alcançar essas condições com a maior eficiência. Para este fim, a equipa de investigação do PPPL adicionou quatro factores adicionais à estrutura tradicional, incluindo cinzas de hélio produzidas durante o processo de fusão, impurezas da parede do reactor, perda de energia da radiação síncrotron e perda de calor do plasma, estabelecendo assim um novo modelo que está mais próximo da situação real.
Os resultados da pesquisa foram publicados na revista Physical Review Letters. Os pesquisadores disseram que quando esses fatores realistas são incluídos nos cálculos, muitas soluções de projeto que originalmente pareciam viáveis mudarão significativamente e, portanto, terão um valor de referência importante para projetos futuros de reatores.
O plasma é frequentemente chamado de quarto estado da matéria. Quando um gás é aquecido a temperaturas extremamente altas, as partículas dentro dele ficam carregadas e um plasma é formado. Num dispositivo de reação de fusão, os cientistas precisam aquecer o plasma a temperaturas extremas para que os núcleos possam superar a repulsão elétrica entre si e sofrer uma reação de fusão.
A equipe de pesquisa comparou o processo de obtenção da ignição por fusão com a travessia de um terreno bloqueado por montanhas. De acordo com as ideias de muitas soluções existentes, os investigadores muitas vezes primeiro aumentam a densidade do plasma e depois continuam a aumentar a temperatura, o que equivale a escalar directamente as montanhas para chegar ao destino. Mas novos modelos sugerem que pode realmente haver um caminho menos trabalhoso.
Os resultados do cálculo mostram que aquecer o plasma a uma temperatura mais alta e depois aumentar gradualmente sua densidade pode atingir o mesmo objetivo com menor consumo total de energia. Esta abordagem equivale a contornar a montanha e entrar no destino pela lateral, em vez de subir diretamente pela rota mais íngreme.
Os pesquisadores usaram modelos matemáticos para encontrar o chamado “ponto de sela de Cordey”, o caminho com a menor energia necessária para atingir a ignição por fusão. Os resultados mostram que a estratégia de “aquecer primeiro e depois aumentar a densidade” está nesta área ideal e espera-se que se torne uma importante direção de projeto para futuros dispositivos de fusão.
Além de descobrir novas vias de ignição, a equipe de pesquisa também obteve outras conclusões importantes. Os modelos mostram que mesmo pequenas quantidades de impurezas de tungstênio que entram no plasma podem ter um impacto significativo na reação de fusão ou até mesmo causar sua falha. Como o tungstênio tem resistência a temperaturas extremamente altas, atualmente está planejado para ser usado como material de parede interna de muitos futuros reatores de fusão. Portanto, como evitar que o tungstênio entre no plasma se tornará um dos principais desafios técnicos.
Os pesquisadores também descobriram que existem certos “mecanismos de frenagem” naturais dentro do plasma de fusão que limitam o aumento adicional da reação. Tais efeitos não foram totalmente tidos em conta nos cálculos globais no passado, mas o novo modelo é capaz de reflectir de forma mais completa estes factores de influência.
Embora esta pesquisa ainda esteja no estágio teórico e computacional e não atinja diretamente um novo avanço experimental de fusão, os cientistas acreditam que ela fornece um roteiro mais eficiente para o projeto futuro de reatores. Se as conclusões relevantes puderem ser verificadas em dispositivos reais, o custo e o investimento energético necessários para comercializar a energia de fusão no futuro poderão ser significativamente reduzidos, acelerando o objectivo da humanidade de energia limpa quase ilimitada.
Comentários