As cores deslumbrantes do lítio no tokamak ST40 da Tokamak Energy

Quando o tokamak é ligado, acontece algo de mágico no interior reforçado da máquina.

O plasma, criado a partir de hidrogénio pesado, floresce num rosa brilhante, agitando-se e contorcendo-se à volta da câmara em forma de donut.

Depois, minúsculos grãos de lítio são lançados no turbilhão, cintilando como pó de fada escarlate antes de explodirem em riscos de luz verde-amarelada intensa.

Graças a uma câmara a cores de alta velocidade, é possível observar este processo enquanto o plasma aquece no interior da máquina ST40 da Tokamak Energy. Assim, são reproduzidas algumas das condições que futuros tokamaks utilizarão para fazer colidir núcleos atómicos e produzir a energia de fusão que poderá, um dia, alimentar o mundo.

Mas não é apenas o esplendor desta imagem que impressiona.

A fusão de plasma ainda está longe de poder ser aplicada na prática. Ainda assim, seguir o trajecto do lítio incandescente poderá ajudar os físicos a ultrapassar um dos maiores obstáculos desta tecnologia: libertar em segurança o enorme calor que escapa de um plasma de fusão.

O desafio térmico dos divertores nos tokamaks

Um tokamak tem de confinar plasma a temperaturas de milhões de graus para forçar a união dos núcleos atómicos.

Contudo, esse confinamento não é simples e parte da enorme energia em circulação acaba inevitavelmente por escapar ao plasma confinado.

Essa energia tem de ser encaminhada para algum lado. Por isso, os tokamaks são concebidos para direccionar a maior quantidade possível desse calor libertado para componentes denominados divertores.

Actualmente, as experiências com tokamaks duram períodos relativamente curtos. Numa futura central de energia de fusão, porém, esses componentes terão de suportar cargas térmicas extremas durante muito tempo, sem se desintegrarem rapidamente.

A carga térmica dos divertores é um problema tão relevante que constitui um dos factores fundamentais na concepção de futuras centrais de tokamaks esféricos. Em experiências realizadas no ST40, os investigadores mediram fluxos de calor de até 150 megawatts por metro quadrado.

Por isso, a exaustão de calor é um dos problemas que os investigadores estudam com o ST40, incluindo a possibilidade de levar o próprio plasma a contribuir para a solução.

Naturalmente, os tokamaks dispõem de câmaras de alta velocidade e alta resolução praticamente desde que estes dispositivos existem.

A captação de imagens a cores a alta velocidade também não é inteiramente nova: em 2014, foi instalada uma câmara a cores no tokamak russo T-11M, conforme descrito num artigo de 2016.

No entanto, esse artigo assinalava uma limitação importante. Apesar de também acompanhar o lítio no limite do plasma, a câmara funcionava a 1.000 fps, uma velocidade que, segundo os investigadores, não bastava para seguir a evolução dos filamentos de lítio ao longo do tempo. Para isso, indicaram que seriam necessárias velocidades superiores a 10.000 fps.

A câmara apontada ao interior do ST40 grava a 16.000 fps.

Eis o que procura detectar.

Como o lítio ajuda a arrefecer o plasma do ST40

Em condições normais, as impurezas no plasma que circula rapidamente dentro de um reactor de fusão podem causar problemas significativos, fazendo com que o calor seja irradiado mais depressa. Isto arrefece o plasma e pode perturbar as condições necessárias à fusão.

Porém, se esse arrefecimento ocorrer no local certo, na periferia do plasma, poderá ser uma vantagem: pode diminuir o calor que atinge os divertores, enquanto o interior do toro de plasma se mantém suficientemente quente para conservar as condições de fusão.

Esta é a premissa de um regime operacional experimental chamado radiador de ponto X, ou XPR.

O plasma é mantido confinado por um campo magnético muito potente. O ponto X é uma região desse campo, próxima do divertor, onde o campo magnético assume uma estrutura característica em forma de X.

Ao promoverem a irradiação de energia por impurezas em torno desta região, os físicos esperam arrefecer o plasma antes de este chegar ao divertor. Desta forma, reduzem o castigo a que esses componentes são sujeitos sem arrefecer o núcleo onde se produz a fusão.

O lítio é um dos materiais com que os físicos têm realizado experiências para perceber de que modo este arrefecimento pode ser controlado.

E é precisamente isso que estas cores espectaculares revelam.

De forma contra-intuitiva, o plasma colorido registado pela câmara não é a zona mais quente do ST40. O núcleo, quente o suficiente para a fusão, está demasiado quente para produzir a luz visível que observamos; em vez disso, a câmara mostra o que sucede no plasma comparativamente mais frio junto à sua periferia.

O brilho rosa é produzido pelo gás de deutério introduzido no tokamak, que emite uma combinação de comprimentos de onda vermelhos e azuis.

Quando os pequenos grãos de lítio, com o tamanho de grãos de areia, entram pela primeira vez nessas regiões exteriores mais frias, os átomos neutros de lítio são excitados e brilham num vermelho carmesim intenso.

Contudo, à medida que o lítio penetra no plasma mais quente e denso, os seus átomos perdem um electrão e transformam-se em iões de lítio com carga positiva. Estes iões Li⁺ emitem uma luz verde-amarelada característica.

Como passam a ter carga eléctrica, os iões de lítio seguem o campo magnético, convertendo estes riscos verde-amarelados intensos num traçador luminoso das linhas de campo, que de outro modo seriam invisíveis, responsáveis por confinar o plasma.

Seria relativamente fácil obter um mapa da temperatura do tokamak mesmo a preto e branco. O que a câmara a cores oferece aos físicos é uma forma de seguir diferentes átomos e iões em distintas condições de plasma, revelando para onde o lítio se desloca e até que profundidade penetra.

Combinadas com a espectroscopia, que identifica com precisão os comprimentos de onda da luz emitida, as imagens de alta velocidade dão aos físicos mais uma forma de verificar se as impurezas estão a irradiar energia onde pretendem.

Caso não estejam, os físicos podem alterar as condições e voltar a tentar, aprendendo a manter o arrefecimento no local desejado. Esse conhecimento poderá, mais tarde, influenciar a forma como os futuros reactores de fusão eliminam o seu enorme calor.

Há já sinais iniciais de que a abordagem XPR pode funcionar.

Nos resultados preliminares de experiências no ST40, os investigadores indicam que conseguiram produzir uma região radiante que se move através do ponto X e arrefece de forma significativa a periferia do plasma. Quando isso acontece, as medições mostram uma diminuição do calor que chega ao divertor.

Os investigadores consideram que grande parte da radiação nessas experiências teve origem no carbono libertado das paredes do tokamak, e não no lítio introduzido deliberadamente. Ainda assim, estão agora em curso experiências com lítio e néon para reduzir ainda mais a carga térmica.

A modelação computacional sugere que o lítio poderá ser particularmente útil, pois talvez seja possível concentrá-lo em torno do divertor, onde o seu efeito de arrefecimento é necessário, sem deixar que uma quantidade suficiente chegue à região a montante e prejudique o desempenho do núcleo de plasma.

A Tokamak Energy planeia levar esta ideia ainda mais longe.

O ST40 está actualmente a passar por uma grande actualização: substituirá a blindagem de carbono por molibdénio, receberá sistemas para revestir com lítio os componentes voltados para o plasma e incorporará novos sistemas de diagnóstico para analisar detalhadamente o que acontece na periferia do plasma.

Depois disso, talvez possamos observar cores ainda mais espectaculares a cintilar no espaço, transportando informação que poderá ajudar a aproximar-nos do futuro da fusão.

Este artigo foi verificado por Rebecca Dyer e editado por Rebecca Dyer. Embora nos orgulhemos do nosso processo, somos apenas humanos. Se detectar um erro, informe-nos, por favor.