A fusão nuclear é o processo pelo qual os núcleos atômicos se combinam para formar um núcleo mais pesado, liberando uma enorme quantidade de energia no processo. Este é o processo que alimenta as estrelas, incluindo o nosso sol.
Para realizar a fusão nuclear controlada na Terra, são necessárias condições extremamente específicas devido às altas temperaturas e densidades necessárias para superar a repulsão eletrostática entre os núcleos.
Os principais requisitos para alcançar a fusão nuclear controlada são os seguintes:
-
Alta temperatura: Uma temperatura extremamente alta precisa ser alcançada, normalmente na faixa de centenas de milhões de graus Celsius. Nessas temperaturas, os átomos se ionizam, formando um plasma quente.
-
Densidade e pressão adequadas: O plasma deve ser confinado e comprimido para aumentar a probabilidade de os núcleos colidirem e se fundirem.
-
Longo Tempo de Confinamento: A fusão nuclear requer um tempo longo o suficiente para que ocorra um número significativo de reações de fusão.
-
Confinamento magnético ou inercial: Existem duas abordagens principais para confinar plasma: confinamento magnético e confinamento inercial. No confinamento magnético, o plasma é mantido suspenso e contido por campos magnéticos. No confinamento inercial, o plasma é comprimido por ondas de choque geradas por lasers ou partículas aceleradas.
-
Combustível de fusão adequado: O combustível mais comum para a fusão nuclear é uma mistura de isótopos de hidrogênio, como deutério e trítio.
-
Ausência de contaminantes: Os materiais que entram em contato com o plasma devem ser minimizados, pois podem contaminar o processo de fusão e resfriar o plasma.
Estratégias de confinamento de plasma
Existem várias estratégias de contenção usadas em experimentos de fusão nuclear para manter o plasma em uma condição adequada para que ocorra a fusão. Aqui estão algumas das duas principais estratégias:
Confinamento magnético
O tokamak e o stellarator são dois tipos de dispositivos experimentais usados para investigar e alcançar o confinamento magnético do plasma. Ambos os dispositivos são projetados para confinar e aquecer o plasma às altas temperaturas necessárias para que ocorra a fusão nuclear.
O tokamak usa bobinas magnéticas para gerar um campo magnético toroidal que confina o plasma em um anel. O campo magnético evita que o plasma escape e se espalhe, mantendo-o em um estado quente e confinado.
O stellarator, ao contrário do tokamak, usa bobinas magnéticas mais complexas para criar um campo magnético tridimensional sem a necessidade de correntes elétricas no plasma. Isso permite que o plasma permaneça estável sem a necessidade de correntes de aquecimento.
Confinamento inercial
o confinamento inercial concentra-se na compressão e aquecimento do plasma de fusão usando ondas de choque ou compressão mecânica.
O princípio básico do confinamento inercial é submeter o combustível de fusão (geralmente uma mistura de isótopos de hidrogênio, como deutério e trítio) a altas pressões e temperaturas para que os núcleos atômicos colidam com energia cinética suficiente para superar a repulsão eletrostática e se fundir.
Existem duas abordagens principais para alcançar o confinamento inercial:
-
Fusão por Compressão Direta: Nesta abordagem, uma pequena cápsula de combustível de fusão é comprimida rapidamente e de maneira controlada usando ondas de choque geradas por feixes de laser de alta potência ou partículas aceleradas. A compressão do combustível aumenta a densidade e a temperatura do plasma no núcleo da cápsula, favorecendo a fusão nuclear. Este conceito é conhecido como "fusão de confinamento inercial por implosão".
-
Fusão de confinamento magneto-inercial: Esta estratégia combina aspectos de confinamento magnético e inercial. Um dispositivo que combina compressão inercial do plasma com confinamento magnético é usado para prolongar a vida útil do plasma e melhorar a eficiência da fusão. Um exemplo disso é o conceito de "fusão magneto-inercial" (MIF), que busca aproveitar o melhor de ambas as abordagens para alcançar a fusão nuclear.
Reatores de pesquisa de fusão nuclear
Os cientistas estão trabalhando com reatores de pesquisa para encontrar maneiras de superar as limitações técnicas da fusão nuclear.
Alguns dos reatores de pesquisa mais proeminentes no campo da fusão nuclear são os seguintes:
ITER (Reator Termonuclear Experimental Internacional)
É um dos maiores e mais ambiciosos projetos no campo da fusão nuclear. Está localizado em Cadarache, na França, e é uma colaboração internacional entre 35 países. O ITER é um tokamak que visa demonstrar a viabilidade científica e tecnológica da fusão nuclear como fonte de energia sustentável sem emissões de carbono. Espera-se que o ITER atinja o ponto de "ignição", no qual a energia liberada pelas reações de fusão excede a energia necessária para aquecer e confinar o plasma.
JET (Joint European Torus)
Localizado no Reino Unido, o JET é o maior tokamak em operação e tem sido pioneiro na pesquisa de fusão nuclear desde a sua criação em 1983. É uma colaboração entre a União Europeia e outros países parceiros. A JET realizou pesquisas importantes sobre confinamento magnético e aquecimento de plasma.
EAST (Tokamak Supercondutor Avançado Experimental)
A EAST está localizada na China e é um dos maiores e mais avançados tokamaks do mundo. Ele conduziu pesquisas em tecnologias de supercondutividade e aquecimento de plasma.
Wendelstein 7-X
É um Stellarator localizado na Alemanha. Ele difere de outros stellarators por seu design de campo magnético otimizado para melhorar o confinamento de plasma. O Wendelstein 7-X é o maior e mais avançado estelarator em operação e conduziu pesquisas para melhorar a estabilidade do plasma e o confinamento magnético.
