E se o caminho até a energia de fusão dependesse menos de força bruta e mais da ordem dos passos? Físicos dos Estados Unidos calcularam que aquecer o plasma antes de torná-lo mais denso pode reduzir drasticamente a energia necessária para alcançar a ignição.
A proposta vem de Luis Delgado-Aparicio, Masayuki Ono e Jonathan Menard, do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL), ligado ao Departamento de Energia dos EUA. O estudo, publicado na revista Physical Review Letters, amplia uma regra usada há mais de sete décadas para avaliar se uma reação de fusão consegue se sustentar sozinha.
Trata-se de um resultado teórico, baseado em cálculos, que ainda precisa ser posto à prova em reatores reais.
Contornar a montanha em vez de escalá-la
Para que a fusão funcione, o plasma precisa estar quente e denso o suficiente, por tempo suficiente. Esse quarto estado da matéria surge quando um gás fica tão energético que suas partículas ganham carga elétrica. As condições necessárias são definidas pelo critério de Lawson.
O problema é que o critério diz aonde chegar, mas não qual é o caminho mais eficiente. A meta é um plasma em combustão, no qual as próprias reações de fusão geram calor suficiente para dispensar o aquecimento externo.
Delgado-Aparicio compara o desafio a uma paisagem dominada por uma montanha altíssima, com o destino do outro lado. Muitas estratégias tentam subir em linha reta: primeiro aumentam a densidade do plasma e depois injetam a enorme quantidade de calor necessária.
Os novos cálculos indicam que inverter a sequência, aquecendo primeiro e adensando depois, evita as maiores exigências de energia e leva às mesmas condições.
“Muitas empresas querem escalar a montanha de frente e gastar uma energia enorme para chegar lá”, disse Delgado-Aparicio. “Em vez disso, contorne o pico. Você chega ao mesmo lugar de um jeito muito mais inteligente e usa muito menos energia.”
A sela de Cordey, uma passagem entre os picos
Nessa paisagem matemática, os pesquisadores destacaram uma região chamada sela de Cordey. Na geografia, sela é uma passagem baixa entre elevações. Na física de fusão, é um ponto relativamente acessível na fronteira entre o plasma que ainda depende de aquecimento externo e o que sustenta as próprias reações.
Para comparar rotas, a equipe usou o fator Q, que relaciona a potência gerada pela fusão com a potência de aquecimento externo fornecida ao plasma. Um Q igual a 5 significa que as reações produzem cinco vezes mais potência do que o sistema de aquecimento entrega.
Num plasma idealizado, formado apenas por combustível puro, a sela aparece em torno de Q = 5. Em máquinas reais, contaminantes e campos magnéticos muito intensos deslocam essa passagem e elevam o Q necessário para alcançá-la.
Cinzas de hélio, impurezas e o alerta do tungstênio
Um dos principais avanços do trabalho é analisar em conjunto quatro processos que estudos anteriores costumavam tratar separadamente. Um deles é o acúmulo de “cinza” de hélio, subproduto da fusão que pode diluir o combustível restante. Outro é a contaminação por impurezas leves e pesadas vindas dos materiais que revestem o interior do reator.
Entram ainda na conta a radiação síncrotron, emitida por elétrons que se movem em campos magnéticos e levam energia embora, e as perdas de calor, que tendem a crescer conforme a temperatura sobe. Somados, esses efeitos produzem um retrato mais realista do que os reatores precisarão atingir.
“Quando você deixa esses efeitos de fora, diz que o projeto vai funcionar bem”, afirmou Ono. “Quando você os inclui, o quadro muda, e isso se torna bastante importante.”
Segundo ele, a ideia é oferecer um modelo mais confiável e amplamente aplicável para avaliar projetos de reatores antes da construção. Os resultados podem influenciar o projeto de tokamaks, as máquinas em formato de rosquinha, e de stellarators. “Experimentos de fusão custam muito dinheiro, e você não quer cometer erros que poderia ter identificado antes”, disse o físico.
Um dos resultados mais marcantes envolve o tungstênio, metal extremamente resistente ao calor escolhido para as paredes internas de mais de uma dúzia de máquinas de próxima geração. Ele atrai os engenheiros porque os reatores enfrentam plasmas mais quentes que o centro do Sol, mas os cálculos sugerem que quantidades mínimas do metal podem tornar a ignição bem mais difícil.
Segundo a divulgação do PPPL, o trabalho integra o esforço para preparar futuras usinas-piloto de fusão. A equipe alerta que tratar o critério de Lawson como um limite único e fixo ignora processos capazes de mudar bastante as exigências para a ignição.
