Fusão Termonuclear Controlada por Confinamento Magnético do Plasma com Tokamaks

Este fato faz com que a raça humana procure incessantemente por novas fontes de energia. A crise energética, o aquecimento global e a poluição ambiental reforçam ainda mais esta procura. Encontrar uma forma de suprir a energia necessária para a humanidade e ao mesmo tempo preservar a natureza não é tarefa fácil, mas a utilização de fontes alternativas de energia, tais como renováveis e nucleares (Fissão Regenerativa e Fusão Termonuclear Controlada), serão de importância vital nesta tarefa. Breve Introdução à Fusão A obtenção de energia através de reações nucleares foi demonstrada por Albert Einstein que em 1905, com a teoria da relatividade, postulou a equivalência entre massa e energia. Einstein deduziu que a massa é uma forma de energia e foi estabelecida a equivalência massa-energia.

Outra condição a ser satisfeita pelo plasma4 em um reator é o critério de Lawson, este critério está relacionado como o produto nτ, onde n é a densidade do plasma (partículas por metro cúbico), e τ é o tempo de confinamento do plasma (segundos), durante o qual o plasma, a uma dada densidade e temperatura, deve ser confinado para se obter energia por fusão suficiente que compense a energia cedida ao plasma. Para um reator à fusão os valores de temperatura, densidade e do tempo de confinamento energético são expressos pelo produto (ni τΕ Τi), o qual deve exceder 5 x 1021 m-3s keV (1keV ≅ 10 milhões de Kelvin)[4]. Os combustíveis mais propícios para as reações de fusão são os núcleos de hidrogênio e seus isótopos (deutério e trítio), uma vez que estes apresentam menor número atômico, portanto, a menor força repulsiva.

O plasma é, simplificadamente, um gás quase-neutro formado por partículas carregadas (íons e elétrons) e neutras (átomos não ionizados) o qual exibe um comportamento coletivo. A reação nuclear de fusão é uma maneira muito promissora para a geração de energia elétrica, pois possui reservas praticamente inesgotáveis de combustível, além de representar poucos riscos ambientais. Máquinas de pequena razão de aspecto são chamadas normalmente de esféricas, devido à forma geométrica do plasma gerado em seu interior, conforme pode ser observado na Figura 2. Fig. Formas geométricas do plasma para cada tipo de tokamak No tokamak, a formação, o confinamento e o equilíbrio são obtidos através de campos magnéticos gerados pelos sistemas de bobinas que compõem a máquina.

Cada um destes sistemas produz um campo magnético específico. A interação destes campos deve proporcionar as condições ideais de formação, confinamento e equilíbrio do plasma. Representação esquemática da configuração do campo helicoidal 8 Funcionamento do Tokamak como Reator de Fusão No processo de fusão nuclear, como já foi dito, átomos livres reagem para produzir elementos mais pesados com o desprendimento de energia. Neste processo, os reagentes (combustíveis) são abundantes e de fácil extração. Estes são formados por diferentes tipos de isótopos do hidrogênio: o hidrogênio pesado ou deutério (D), que se encontra presente na água; o hidrogênio superpesado ou trítio (T), que pode ser obtido através do lítio, uma vez que o trítio não ocorre naturalmente em quantidades suficientes para a reação.

Para uma usina de fusão termonuclear controlada, apenas 0,25 kg/dia, do combustível a base da mistura de deutério e trítio (D-T) é capaz de gerar ~1. MW de potência. O manto de lítio é externamente envolvida por um isolante térmico, que serve também para absorver nêutrons energéticos remanescentes. A câmara toroidal (câmara de vácuo) externa, pode ser confeccionada de um material refratário (nióbio, vanádio, molibdênio ou até mesmo aço inoxidável). Finalmente, na parte mais externa, ficam as bobinas responsáveis pelo confinamento magnético. A energia depositada no manto de lítio pelos nêutrons pode ser retirada por trocadores de calor. A partir deste ponto o processo é convencional. Estas medidas preventivas são baseadas tanto em sistemas eficientes de controle da posição e forma do plasma, utilizando as teorias de controle convencionais ou inteligentes (Redes Neurais Artificiais - RNAs), quanto sistemas de previsão de 11 disrupções, através de RNAs.

Cabe lembrar que a disrupção do plasma em tokamaks podem ocorrer por vários motivos relacionados às instabilidades do plasma durante sua operação. Observa-se então a necessidade de se estudar e projetar sistemas de controle para a coluna de plasma em tokamaks para que no futuro os reatores de fusão possam operar eficientemente na produção de energia elétrica. Tipos de Bobinas de Campo Magnético em Tokamaks Existem em um tokamak basicamente dois tipos de bobinas magnéticas responsáveis pelo campo toroidal (bobina toroidal), e as bobinas do campo poloidal (bobinas poloidais), responsáveis pela formação do plasma, equilíbrio e elongação, conforme podem ser vistas na Figura 5. Fig. Esta modificação na corrente de plasma tem o propósito de possibilitar a obtenção de condições de equilíbrio mais favoráveis.

O circuito de campo magnético de elongação é semelhante ao CMV, só que em escala reduzida, pois a quantidade de energia armazenada é bem inferior. Será composto por pequenos bancos de capacitores, que devem atuar apenas quando necessário. • Sistema do Transformador de Aquecimento Ôhmico (TAO), tem por finalidade a geração de fluxo magnético variável necessário para formar, aquecer e manter a corrente de plasma. Por sua vez, a corrente de plasma gera o campo magnético poloidal que, combinado com o campo magnético toroidal, produz as linhas de campo magnético helicoidal para o confinamento do plasma, além de aquecer o plasma pelo efeito ôhmico ou resistivo. Na Figura 6 pode-se observar a posição da coluna de plasma em relação à posição de equilíbrio e os respectivos componentes de deslocamento vertical (∆V) e deslocamento horizontal (∆H) em relação à posição de equilíbrio do plasma no tokamak.

Observa-se que inicialmente o sistema de controle do plasma vai levar em conta apenas o componente de deslocamento vertical. Isto porquê em máquinas com plasma alongados (similar ao desenho do tipo “D” não circular na Figura 7), o deslocamento vertical é mais instável do que o deslocamento horizontal. Como será visto adiante, a instabilidade do plasma dependerá da natureza física do próprio plasma toroidal, assim como, da razão de aspecto e do formato da seção transversal da coluna de plasma com relação à elongação. Fig. Fig. – Seção transversal da câmara de vácuo e da coluna de plasma, circular e não-circular (cor cinza) O formato do plasma se altera durante a evolução do disparo, pois a forma da seção transversal do plasma se desenvolve, normalmente, de um formato circular.

Outros formatos para a coluna de plasma toroidal podem ser obtidos, porém o formato não-circular, similar ao formato de um “D”, que também é o formato da coluna de plasma do tokamak. Os formatos esféricos (não-circulares) e convencionais (circulares), dizem respeito também a razão de aspecto do tokamak, que é a relação entre o raio maior e o raio menor do toróide, como pode ser observado na Figura 8. A razão de aspecto do tokamak possui uma relação direta com o deslocamento do plasma. Estes parâmetros do plasma são obtidos da evolução temporal e da distribuição espacial. Fig. – Sistema dinâmico do plasma em tokamak 22 A evolução temporal do plasma pode ser observada através da iteração eletromagnética dos circuitos elétricos com o plasma, e também, com a estrutura da câmara de vácuo (Figura 11).

Para obter a evolução temporal do plasma é necessário utilizar em conjunto as equações integrais de fluido e as equações diferenciais parciais de circuito elétrico. Isto pode ser obtido através de simulação com um código do tipo Zero-Dimensional, que através dos parâmetros geométricos, possibilita modelar o plasma como um circuito elétrico. – Coordenadas e parâmetros do plasma de tokamaks Na Figura 13 observa-se a seção transversal de uma coluna toroidal de plasma não-circular mostrando a definição de vários parâmetros e coordenadas do plasma. A curva em forma de “D” denota a borda do plasma. O eixo Z é o eixo de simetria do toróide, R é o raio maior, que se refere à coordenada θ do ângulo poloidal. Outro parâmetro que diz respeito à forma do plasma é a triangularidade (δ), que descreve a orientação da borda do plasma, por exemplo na figura se k=1 e δ=0 a seção transversal do plasma seria circular.

Na equação anterior o fluxo magnético (ψ) possui superfícies constantes, estas são chamadas de superfícies de fluxo magnético.