Um dos principais problemas logísticos da fusão pode ter sido resolvido, abrindo caminho para eletricidade quase infinita.

Resultados recentes de um supercomputador norte-americano sugerem um caminho mais seguro para as máquinas de fusão do futuro, assim como uma via mais económica para a eletricidade limpa.

Uma equipa liderada por Princeton usou simulações de plasma de alta fidelidade para enfrentar eletrões fugitivos, um perigo que pode danificar paredes dos reatores e paralisar operações. O trabalho aponta para uma forma prática de domar esta ameaça antes que se manifeste, utilizando ondas que já existem dentro do plasma quente.

Porque é que os eletrões fugitivos ameaçam a promessa da fusão

A fusão pretende aquecer isótopos de hidrogénio até formar um plasma e captar a energia produzida. Esta visão requer máquinas que funcionem durante meses sem danos significativos. Os eletrões fugitivos complicam esse objetivo. Durante perturbações do plasma, uma fração dos eletrões pode acelerar até dezenas de MeV, formando um feixe finíssimo. Esse feixe pode perfurar a parede interna, derreter metal e causar paragens prolongadas.

O ITER, o gigantesco dispositivo em construção em França, terá de gerir este risco desde o primeiro dia. Um único evento descontrolado pode libertar calor intenso em fracções de segundo. Os operadores planeiam várias camadas de proteção, mas necessitam de uma forma de impedir que o feixe se forme à partida.

Parar o feixe antes de se formar: esse é o movimento mais seguro. Dispersar o seu foco, espalhar a energia, e a parede sobrevive.

Um truque de física com ondas de Alfvén

Cientistas do Laboratório de Física de Plasmas de Princeton modelaram uma solução engenhosa. A equipa usou o supercomputador Summit para estudar como as ondas de Alfvén, ondulações que se propagam ao longo das linhas de campo magnético do plasma, conseguem baralhar os eletrões fugitivos. A ideia é simples: fazer o feixe perder o foco, desviando os eletrões do seu trajeto apertado, para que se espalhem e arrefeçam antes de atingirem a parede.

O que mostram realmente as simulações

As simulações mostram que uma forte atividade de ondas de Alfvén dispersa eletrões de alta energia por vários ângulos e energias. O feixe perde coerência. As cargas térmicas diminuem. O perigo para a parede reduz-se. O código resolve o movimento de milhões de partículas e a sua interação com espectros de ondas semelhantes aos observados nos experimentos.

O Summit fez a diferença. A equipa alcançou resultados que demorariam cerca de 30 vezes mais num cluster típico de CPUs. Essa velocidade permitiu-lhes testar condições, experimentar extremos e analisar quanta energia de onda poderá ser necessária.

As ondas de Alfvén funcionam como ressaltos estratégicos numa pista de bobsleigh: desviam uma trajetória retilínea para uma oscilação inofensiva.

O que isto significa para o ITER

O ITER planeia ferramentas de mitigação de perturbações como a injeção de pellets fragmentados e perturbações magnéticas. Estas ferramentas podem arrefecer ou desviar um feixe fugitivo depois de este se formar. O espalhamento induzido por ondas de Alfvén acrescenta uma opção preventiva. Procura evitar que o feixe se forme na máxima intensidade, reduzindo o esforço colocado nos outros sistemas.

Esta abordagem também encaixa na filosofia de design da máquina. Utiliza física interna ao plasma em vez de hardware pesado no exterior. Isso pode poupar espaço, reduzir complexidade e cortar custos ao longo da vida útil da central.

• Detetar sinais precoces de crescimento descontrolado com diagnósticos rápidos.
• Desencadear atividade de Alfvén por radiofrequência direcionada ou ajuste magnético otimizado.
• Combinar com mitigação existente, reduzindo picos de calor na primeira parede.
• Afinar cenários de operação para manter o espalhamento por ondas “ativo” em fases de maior risco.

A computação de alto desempenho faz avançar a fronteira

O Summit deu o poder necessário para acompanhar fielmente as interações onda-partícula. O Frontier, seu sucessor, trará ainda mais memória e velocidade. A equipa planeia adaptar e otimizar os seus códigos para tirar partido dessa escala.

Com esse salto, os modelos poderão incluir mais partículas, geometria mais realista e acoplamento apertado com turbulência e colisões. Isso aumenta a confiança na tradução da física para receitas de controlo e pontos de ajuste dos equipamentos.

Os dois obstáculos logísticos – e o que este trabalho resolve

Mesmo que os engenheiros dominem o funcionamento estável do plasma, a fusão terá de ultrapassar dois grandes obstáculos de longo prazo que moldam a sua viabilidade económica:

As novas simulações referem-se diretamente à longevidade das paredes. Se os operadores conseguirem suprimir feixes destrutivos de forma fiável, aumentam a vida útil dos componentes e reduzem o tempo de inatividade. Assim, obtém-se maior fator de capacidade e preços de eletricidade mais competitivos.

O que ainda precisa de prova

Os modelos têm de ser validados com dados reais. Resultados preliminares estão alinhados com sinais das instalações de fusão do Departamento de Energia dos EUA, que já observam atividade de Alfvén em fases de eletrões rápidos. O próximo passo é aproximar ainda mais as simulações, diagnósticos e testes de controlo nos tokamaks atuais.

Também são necessários limites. Energia de onda em excesso pode afetar o confinamento. A estratégia de controlo deve dispersar os fugitivos sem prejudicar o núcleo. Isso exige temporização cuidada, potência moderada e retorno inteligente dos sensores periféricos.

Da teoria para o manual de operações

Um manual prático poderia ser assim: detetar o aumento da taxa de crescimento do avalanche; lançar um breve pulso de RF ajustado para excitar modos de Alfvén; monitorizar a descida de assinaturas de raios-x duros; ter pellets de reserva prontos caso um feixe ainda se forme. Os operadores já seguem sequências semelhantes para outros riscos, por isso a integração deverá ser simples.

Porque isto importa do ponto de vista de “quase infinito”

A fusão usa combustível abundante em lítio e deutério. Esta fonte pode sustentar séculos de eletricidade quando as máquinas atingirem fiabilidade. A fiabilidade depende da resolução destes nós logísticos. A reprodução de trítio garante o combustível. A proteção das paredes garante o tempo de atividade. O novo controlo baseado em ondas aproxima a segunda peça de uma resposta viável.

Os gestores de rede olham para os números: fator de capacidade, intervalos de manutenção e ciclos de substituição. Reduzir paragens não planeadas mesmo que apenas uns pontos percentuais revaloriza toda a central. Seguradoras cobram menos risco. Credores abrem financiamento mais barato. Consumidores recebem faturas mais baixas.

Transformar um evento raro e catastrófico num mero percalço facilmente gerível faz a economia da fusão evoluir de frágil para robusta.

Contexto adicional e notas úteis

Conceito a memorizar: Onda de Alfvén. É uma oscilação de baixa frequência de iões e campos magnéticos num plasma. Imagine uma corda de guitarra feita de magnetismo e partículas carregadas. Quando bem ajustada, consegue trocar energia e momento com eletrões rápidos.

Ideia de teste prático: um tokamak de média escala pode agendar disparos dedicados a corrente mais baixa, semear uma pequena população de fugitivos e depois excitar atividade de Alfvén com potência mínima de RF. Medir mapas térmicos da parede, detetores de raios-x duros e flutuações magnéticas disparo a disparo. Isso fecha o ciclo entre código e controlo.

Risco a vigiar: se a atividade de ondas dispersar demasiado o núcleo, pode prejudicar o desempenho. Os operadores provavelmente manterão esta ferramenta ativa apenas nas fases de maior risco de crescimento fugitivo, como no decréscimo da corrente ou na recuperação após uma perturbação.

Atividade complementar: os cientistas dos materiais podem combinar este controlo com projetos de primeira parede mais resistentes. Melhor armadura e menos picos dão um benefício composto. As centrais podem assim ambicionar campanhas mais longas entre revisões, melhorando a viabilidade económica.