Reações de fusão em estrelas

Confinamento magnético

Em confinamento magnético as partículas e a energia de um plasma quente são mantidas no lugar usando campos magnéticos. Uma partícula carregada num campo magnético experimenta uma força Lorentz que é proporcional ao produto da velocidade da partícula e do campo magnético. Esta força faz com que os elétrons e íons se espalhem sobre a direção da linha de força magnética, confinando assim as partículas. Quando a topologia do campo magnético produz um poço magnético eficaz e o equilíbrio de pressão entre o plasma e o campo é estável, o plasma pode ser confinado longe dos limites do material. O calor e as partículas são transportados ao longo e através do campo, mas as perdas de energia podem ser evitadas de duas formas. A primeira é aumentar a força do campo magnético em dois locais ao longo da linha de campo. As partículas carregadas contidas entre esses pontos podem ser feitas para refletir para frente e para trás, um efeito chamado espelhamento magnético. Em um sistema basicamente reto com uma região de campo magnético intensificado em cada extremidade, as partículas ainda podem escapar pelas extremidades devido à dispersão entre as partículas à medida que elas se aproximam dos pontos de espelhamento. Tais perdas finais podem ser evitadas completamente criando um campo magnético na topologia de um toro (isto é, configuração de um donut ou tubo interno).

Imãs externos podem ser dispostos para criar uma topologia de campo magnético para confinamento estável do plasma, ou podem ser usados em conjunto com campos magnéticos gerados por correntes induzidas a fluir no próprio plasma. O final da década de 1960 testemunhou um grande avanço da União Soviética no aproveitamento de reações de fusão para a produção prática de energia. Os cientistas soviéticos alcançaram uma temperatura de plasma elevada (cerca de 3.000.000 K), juntamente com outros parâmetros físicos, numa máquina referida como tokamak (ver figura). Um tokamak é um sistema de confinamento magnético toroidal no qual o plasma é mantido estável tanto por um campo magnético gerado externamente, em forma de donut, quanto por correntes elétricas que fluem dentro do plasma. Desde o final dos anos 60, o tokamak tem sido o principal foco da pesquisa de fusão magnética em todo o mundo, embora outras abordagens, como o stellarator, o toro compacto e a pinça de campo invertido (RFP) também tenham sido seguidas. Nessas abordagens, as linhas de campo magnético seguem um caminho helicoidal, ou semelhante a um parafuso, à medida que as linhas de força magnética prosseguem em torno do toro. No tokamak, o passo da hélice é fraco, de modo que as linhas de campo giram livremente em torno do sentido poloidal (através do buraco central) do toro. Em contraste, as linhas de campo RFP enrolam-se muito mais apertadas, enrolando-se muitas vezes no sentido póloidal antes de completar um laço no sentido toroidal (em torno do orifício central).

Plasma confinado magneticamente deve ser aquecido a temperaturas em que a fusão nuclear seja vigorosa, tipicamente superiores a 75.000.000 K (equivalente a uma energia de 4.400 eV). Isto pode ser conseguido através do acoplamento de ondas de radiofrequência ou microondas às partículas de plasma, através da injeção de feixes energéticos de átomos neutros que se tornam ionizados e aquecem o plasma, através da compressão magnética do plasma, ou através do aquecimento óhmico (também conhecido como aquecimento Joule) que ocorre quando uma corrente elétrica passa através do plasma.

Employing the tokamak concept, cientistas e engenheiros nos Estados Unidos, Europa e Japão começaram em meados dos anos 80 a usar grandes dispositivos experimentais tokamak para atingir condições de temperatura, densidade e confinamento de energia que agora correspondem àquelas necessárias para a geração prática de energia de fusão. As máquinas utilizadas para alcançar estes resultados incluem o Joint European Torus (JET) da União Europeia, o Tokamak-60 japonês (JT-60) e, até 1997, o Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR) nos Estados Unidos. De facto, tanto no TFTR como nos dispositivos JET, experiências com deutério e trítio produziram mais de 10 megawatts de energia de fusão e essencialmente condições de breakeven energético no próprio plasma. Condições de plasma que se aproximam das alcançadas em tokamaks também foram alcançadas em grandes máquinas estelares na Alemanha e no Japão durante os anos 90.