Definição dos estilos
O Stellarator
Wendelstein 7-X
17 de dezembro de 2015
Agora, os alemães, após 19 longos anos, terminaram a montagem deste verdadeiro pesadelo tecnológico que é um stellarator. No início do mês, esta máquina produziu seu primeiro plasma, décadas antes do ITER. Evidentemente, as pessoas que visitam meu site me atacaram com perguntas sobre esta máquina.
Foram necessárias 19 anos para que este projeto se concretizasse e um milhão de horas de trabalho. Ele conta com 20 bobinas planas e 50 bobinas não planas. Por que esta distinção? Quando se quer criar um campo magnético nas bobinas, é necessário fazer circular uma corrente muito forte que pode atingir doze mil amperes. No entanto, quando se faz passar uma corrente intensa em uma bobina, ela é submetida a forças centrífugas que a fazem adquirir uma forma circular. Neste caso, estas forças podem causar a ruptura da bobina. A geometria da câmara do stellarator alemão é muito complexa.
Foi necessário prever bobinas com formas não apenas circulares, mas também curvas:
Por que uma geometria tão complicada? Se você assistir às 5 vídeos que coloquei no YouTube, os princípios básicos dos Tokamaks são apresentados. Eles partem de uma ideia vinda do frio, devido a Andrei Sakharov e Artsimovitch. Se equiparmos uma câmara toroidal com bobinas circulares, regularmente dispostas, o campo magnético será mais intenso perto do eixo da máquina, onde as bobinas estão mais próximas umas das outras. Os plasmas tendem a ir para as regiões onde o campo é mínimo, o que fará com que o campo magnético tenda a expulsar o plasma criado na câmara para fora. O Tokamak representa uma primeira solução. Com um solenoide disposto ao longo do eixo da máquina, que cria um campo lentamente crescente (que atingirá 13 teslas no ITER), que banha a câmara de teste, fazemos surgir uma corrente induzida que se fecha circularmente no plasma. Esta corrente cria por si mesma um campo, chamado poloidal, que se combina com aquele criado pelas bobinas envolvendo a câmara. No resultado, as linhas de campo adquirem uma forma espiralada.
Como as partículas carregadas tendem a espiralar ao redor das linhas do campo magnético, elas seguirão estas linhas. Isto permitirá manter o plasma no centro da câmara. A outra solução, sugerida pelo americano Lyman Spitzer nos anos 50, é fazer o que ele chamou de Stellarator. A máquina Wendelstein X-7 é um Stellarator :
Em amarelo, a câmara da máquina, em azul as muitas bobinas. Durante seu projeto, o Stellarator alemão foi objeto de muitos cálculos computacionais para otimizar a forma de sua câmara, bem como o desenho de suas bobinas. Tudo isso exigiu um enorme trabalho e um milhão de horas de trabalho.
Por que optar pelo Stellarator em vez do Tokamak? No Tokamak (e no ITER) o principal problema é a possibilidade de ocorrerem interrupções. Dentro da câmara, o "corrente de plasma" (15 milhões de amperes no ITER) pode ser representado de forma imaginária por um serpente que se morde a cauda. De forma muito esquemática, uma interrupção pode ser comparada à ruptura da forma como este corrente se enrola. Então, a serpente solta a cauda e vai "morder a parede". No ITER, esta "mordida" é estimada em 11 milhões de amperes.
A causa: turbulência MHD. Pior ainda: esta distorção do campo magnético é acompanhada por gradientes que são tantas regiões acelerando as partículas carregadas: essencialmente os elétrons. Estes adquirem velocidades relativistas, próximas à velocidade da luz, adquirem energias muito importantes. A partir de uma certa velocidade, eles praticamente deixam de interagir com os íons. Eles são chamados de elétrons desacoplados. Mas por "efeito de avalanche", eles aceleram outros elétrons. Há um efeito multiplicativo, considerável no ITER.
Em um Stellarator, estes fenômenos não existem. Isso não quer dizer que outras instabilidades não possam manifestar-se. Apenas a experimentação dará a resposta a esta pergunta. Desde meio século, as máquinas de plasma reservaram muitas surpresas desagradáveis para que não seja indispensável avançar gradualmente.
A máquina alemã tem um sistema de magnetização onde a intensidade do campo atinge 3 teslas. O sistema de aquecimento por micro-ondas está previsto para funcionar durante 10 a 50 segundos. Um sistema de injeção de nêutrons representa uma entrada de energia de potência de 8 MW. Com este dispositivo, os pesquisadores esperam levar o plasma, na câmara, com uma densidade de 3 × 1020 núcleos por metro cúbico a uma temperatura de 60 a 120 milhões de graus.
O Stellarator alemão não permitirá obter um plasma de fusão "autônomo", onde a energia proveniente da fusão seria suficiente para manter a temperatura do plasma em um nível adequado. Com estas diferentes máquinas, busca-se acender o "fogo nuclear". Você pode comparar isso a uma tentativa de acender "madeira um pouco úmida" com pedaços de caixas ou um "acendedor de fogo". Enquanto isso queima, a madeira úmida participa do processo exoenergético. Quando os fragmentos de madeira seca ou o acendedor são consumidos, dois casos. Ou a combustão da madeira úmida libera suficiente calor para que este fogo seja auto-sustentado, ou esta energia liberada será insuficiente e este fogo se apagará e você terá que recomeçar a operação com um novo acendedor.
Nenhuma máquina de plasma no mundo até hoje conseguiu criar tais condições. A mais eficiente: o JET conseguiu elevar o coeficiente Q = energia injetada/energia produzida até o valor 0,6. O objetivo do ITER era obter um coeficiente superior à unidade. Ao passo, não temos nenhuma ideia sobre como se comportaria um plasma de fusão auto-sustentado de repente. Como em tudo o que se refere a estas questões, é muito difícil fazer previsões teóricas.
O Stellarator alemão representou um custo proporcional à sua complexidade. Acredito que os gastos chegam a um bilhão de euros. Mas é um projeto que chegou à maturidade. A máquina foi construída, seus dispositivos de magnetização estão operacionais e, no início de dezembro, os pesquisadores obtiveram seu primeiro plasma. O próximo passo será aumentar o aporte de energia, negociado, como nos tokamaks, com micro-ondas e injeções de nêutrons. Estas são técnicas que estão dominadas. A primeira pergunta é: "Esta máquina atende às expectativas no que diz respeito ao confinamento do seu plasma?". Parece que uma resposta positiva inicial foi obtida.
O Stellarator representa uma solução em relação à produção de energia por fusão? Ainda é cedo para dizer. Mas seu custo permanece 16 vezes inferior ao do ITER. A máquina tem uma grande vantagem em relação a este projeto faraônico: ela funciona, e os pesquisadores não têm que temer que ela seja imediatamente danificada por uma interrupção, o que não é o caso do ITER.
Este risco prejudica terrivelmente este último projeto. Se olharmos como o ITER foi projetado, qualquer substituição de componente pode constituir um problema intratável. Os componentes que representam a principal alvo destas interrupções...