Pesquisadores do Laboratório Princeton de Física de Plasma (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) descobriram que a adição de um agente de limpeza doméstica — o boro mineral ou borato de sódio, contido em um produto de limpeza simples conhecido como bórax — pode melhorar consideravelmente a capacidade de alguns dispositivos de conter o calor necessário para produzir energia por fusão nuclear na Terra, de maneira semelhante a que o Sol e as estrelas fazem.

Em parceria com pesquisadores japoneses, os físicos do PPPL fizeram a análise usando o Grande Dispositivo Helicoidal (LHD), uma instalação magnética tortuosa conhecida no Japão como “heliotrono”. 

Federico Nespoli, físico do PPPL, no Grande Dispositivo Helicoidal no Japão. Imagem: Instituto Nacional Japonês de Ciência de Fusão / Kiran Sudarsanan.

Com os resultados, os cientistas viram, pela primeira vez, um regime de confinamento de calor, em equipamentos chamados “instalações” estelares, semelhante ao heliotrono. Eles acreditam que essa descoberta poderia ajudar no desenvolvimento de projetos para futuras usinas de fusão nuclear.

Pó de boro produz regime mais alto de confinamento

Segundo os autores do estudo, eles produziram o regime de confinamento mais alto injetando pequenos grãos de pó de boro no plasma LHD que alimenta reações de fusão. A injeção, feita com um lançador instalado no PPPL, reduziu fortemente os redemoinhos turbulentos e elevou o calor confinado que produz as reações.

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“Pudemos ver esse efeito muito claramente”, disse Federico Nespoli, físico do PPPL e autor principal do artigo científico que descreve a pesquisa, publicado na revista Nature Physics. “Quanto mais energia colocarmos no plasma, maior o aumento do calor e do confinamento, o que seria ideal em condições reais do reator”.

David Gates, um dos principais físicos de pesquisa do PPPL, que lidera o Departamento de Projetos Avançados, foi responsável por supervisionar o trabalho: “Estou muito animado com esses excelentes resultados que Federico escreveu neste importante artigo sobre nossas colaborações com a equipe no LHD”, disse Gates. “Quando lançamos este projeto — o LHD Impurity Powder Dropr — em 2018, tínhamos esperanças de que poderia haver um efeito sobre o confinamento energético. As observações são ainda melhores do que esperávamos com a supressão da turbulência em uma grande fração do raio de plasma”.

Gates reconhece a colaboração dos japoneses. “Sou muito grato aos nossos colegas japoneses por nos darem a oportunidade de nossa equipe participar dessas experiências”.

Conforme destaca o site Phys, os pesquisadores do Japão também se mostram animados. “Estamos muito satisfeitos e entusiasmados em obter esses resultados”, disse Masaki Osakabe, diretor executivo do projeto LHD e conselheiro científico para pesquisa de fusão nuclear do Ministério da Educação, Cultura, Desporto, Ciência e Tecnologia do Japão (MEXT), o órgão responsável pela energia nuclear no país. 

“Também estamos honrados em ser colaboradores do PPPL”, declarou Osakabe. “As descobertas reveladas com essa colaboração fornecerão uma boa ferramenta para controlar o plasma de alto desempenho em um reator de fusão”.

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Cientistas buscam energia de fusão nuclear segura, limpa e ilimitada

As instalações estelares, construídas pela primeira vez na década de 1950 pelo fundador do PPPL Lyman Spitzer, são um conceito promissor que há muito tempo trilha instalações magnéticas simétricas chamadas tokamaks como o principal dispositivo para a produção de energia de fusão. 

Um histórico de confinamento térmico relativamente ruim tem desempenhado um papel na retenção de estelares, que podem operar em um estado estável com pouco risco de interrupções plasmáticas que os tokamaks enfrentam.

De acordo com os cientistas, a fusão combina elementos de luz na forma de plasma — o estado quente e carregado de matéria composto por elétrons livres e núcleos atômicos, ou íons, que compõem 99% do universo visível — para liberar grandes quantidades de energia. 

Tokamaks e instalações estelares são os principais projetos magnéticos para cientistas que buscam colher energia de fusão segura, limpa e praticamente ilimitada para gerar energia de fusão nuclear para a humanidade.

Embora o boro já tenha sido usado há muito tempo para condicionar paredes e melhorar o confinamento em tokamaks, os cientistas não tinham notado antes uma redução generalizada da turbulência e aumento de temperatura como o relatado nesse estudo. 

Além disso, ausentes das observações estavam explosões prejudiciais de calor e partículas, chamadas modos localizados de borda (ELMs), que podem ocorrer em tokamaks e instalações estelares durante experimentos de alta confinamento – ou modo H.

“A notável melhora do calor e do confinamento no plasma LHD pode ter-se originado da redução da instabilidade do gradiente de temperatura de íon (ITG)”, disse Nespoli no artigo, “que produz turbulência que faz com que o plasma vaze do confinamento”.

A redução da turbulência contrasta com um tipo de perda de calor chamada “transporte neoclássico”, a outra principal causa de partículas que escapam do confinamento estelar.

Uma nova rodada de experimentos de LHD está em andamento e testará se a melhoria no calor e no confinamento permanece para uma faixa crescente de taxas de injeção de massa, densidade plasmática e poder de aquecimento. 

Nespoli e seus colegas também gostariam de testar se o pó de carbono pode funcionar tão bem quanto o boro. “O boro cria revestimento na parede que é bom para o confinamento, e o carbono não fará isso”, disse Nespoli. “Queremos ver se todo pó é bom ou se é realmente o boro que melhora as condições”.

Objetivos adicionais incluem avaliar a capacidade do boro para melhorar o desempenho do plasma durante a operação de LHD de estado estável, que é capaz de descargas plasmáticas extremamente longas de até uma hora. Tais experimentos poderiam produzir novas evidências do valor do projeto estelar daqui para frente.

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