Reator nuclear limpo e eficiente tem rumo traçado com descoberta sobre ondas

Destaque em revista internacional, predições de brasileiro foram testadas na maior máquina dedicada a estudos sobre fusão magnética dos EUA.

Uma parceria entre a USP e a Universidade de Princeton (PU) vem contribuindo para as pesquisas relacionadas com o desenvolvimento de protótipos de reatores que um dia poderão produzir energia praticamente inesgotável, a partir da fusão nuclear. Entre as possibilidades, está a construção de usinas que forneçam energia suficientemente limpa, a ponto de diminuir a emissão de gases tóxicos ao meio ambiente e evitar o acúmulo de dejetos radioativos.

Neste sentido, a tese de doutorado de Vinícius Njaim Duarte trouxe entendimento inédito sobre o comportamento de ondas que afetam a continuidade de reações de fusão, prejudicando a eficácia na produção de energia. O estudo teve supervisão dos pesquisadores Ricardo Galvão e Nikolai Gorelenkov — dos Laboratórios de Física de Plasmas do Instituto de Física (IF) da USP e da PU, respectivamente. Um artigo de autoria de Duarte, junto a outros colaboradores, condensou as descobertas e foi publicado com destaque na revista Physics of Plasmas.

A repercussão foi tanta, que a empresa General Atomics — que opera a maior máquina dedicada a estudos sobre fusão magnética dos EUA — realizou experimentos com o fim de testar as predições do modelo de Duarte, através do uso de uma máquina conhecida como tokamak. Trata-se de um protótipo experimental de reator de fusão nuclear, dentro do qual se confina, em uma câmara de vácuo, um gás composto de isótopos de hidrogênio, sob a forma de plasma (quando se aquece um gás neutro a temperatura muito elevada, obtendo íons e elétrons).

Dentro do tokamak, sob forte campo magnético e alta temperatura, as partículas do plasma se chocam, fazendo com que seus núcleos eventualmente se unam em um processo conhecido como fusão nuclear. A energia liberada é extremamente alta.

O tokamak é hermeticamente fechado, evitando perdas de partículas e de energia para o meio exterior. O ambiente com altíssima energia acumulada e com um plasma submetido a forte campo magnético gera ondas do mesmo tipo daquelas criadas a partir de explosões solares: as ondas de Alfvén.

Segundo Duarte, o que se observa em máquinas tokamak é que essas ondas “interagem com uma certa população de íons altamente energéticos, presentes no plasma”. Quando a interação foge do controle, as partículas são expelidas do plasma e esse fenômeno “é muito indesejável, porque é necessário manter as partículas do plasma bem confinadas”, preservando a autossuficiência do reator.

A maneira como esses íons “fogem” está relacionada à natureza da oscilação das ondas de Alfvén. Se a onda tem frequência fixa, as partículas normalmente são perdidas por difusão. Se possui variações abruptas, apresentam um mecanismo de auto-organização e são ejetadas de forma convectiva.

Eficiência

A pergunta que permanecia em aberto — qual o fator experimental que determina a resposta espectral das ondas de Alfvén — foi elucidada pelo estudo, que propôs de maneira teórica e comprovou experimentalmente que a turbulência afeta a dinâmica dos íons energéticos contidos no plasma. Verificou-se que as oscilações das ondas de Alfvén com frequência fixa são comuns em plasmas com alta turbulência e raras em condições onde o plasma se encontra em baixa turbulência, quando as ondas têm sua frequência sujeita a variações abruptas.

Tese de doutorado de Vinícius Njaim Duarte trouxe entendimento inédito sobre o comportamento de ondas que afetam a continuidade de reações de fusão nuclear – Foto: Elle Starkman / Princeton Plasma Physics Laboratory

“Se controlamos a turbulência do plasma, controlamos, de certa forma, a oscilação das ondas de Alfvén. Controlando essa oscilação, é possível controlar a forma como essas partículas vão ser ejetadas do plasma e isso pode fazer toda a diferença na eficiência do reator”, explica Duarte. A meta é desenvolver capacidades de prever cenários e, consequentemente, abrandar as perdas de partículas.

O estudo pode contribuir no desenvolvimento de um reator experimental de fusão: um tokamak orçado em cerca de 20 bilhões de euros. Trata-se do International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), convênio formado por diversos países, com metade da construção já realizada. “No ITER será muito caro realizar um experimento. Então, é muito interessante que tenhamos ferramentas que consigam predizer como o plasma vai se comportar. Ao entendermos como as ondas vão evoluir, fica mais viável controlá-las”, esclarece.

Energia Limpa

A energia nuclear é responsável pelo fornecimento de quase 15% da energia mundial e atualmente é obtida apenas a partir da fissão nuclear. Neste processo, segundo Galvão, o reator produz energia a partir do rompimento de átomos de alto número atômico (urânio) que, ao se dividirem, criam outros elementos de pesos atômicos menores, liberando nêutrons com alta energia.

Ele explica que as reações de fusão liberam “muito mais energia” que as de fissão. Porém, é mais fácil produzir fissão do que fusão, já que o primeiro processo é autossuficiente, porque ocorre através de reações em cadeia. O problema é que isso torna a fissão perigosa, porque os elementos e partículas que se formam a partir do urânio “ficam no reator e irradiam energia por milhares de anos”.

O professor Ricardo Magnus Osorio Galvão, do Laboratório de Física de Plasmas do IF, orientou doutorado de Vinícius Njaim Duarte – Foto: Marcos Santos / USP Imagens

Próximos Desafios

Um dos próximos desafios é descobrir quais os materiais mais adequados para constituir a câmara de vácuo do reator de fusão, que devem ser resistentes para aguentar os altos níveis de energia acumulados dentro do tokamak. “O plasma fica dentro da câmara e partículas tentam atravessá-la.” Essas partículas “deslocam” os átomos das paredes da câmara, comprometendo a integridade do tokamak. “Nós não sabemos ainda que materiais resistem a esses danos, porque é necessário ter um reator para testar. O ITER também busca testar quais os materiais que realmente resistiriam aos danos da radiação”, aponta Galvão.