Tokamak e Stellarador

O Desafio

Como estabelecido anteriormente, recriar a Fusão Nuclear na Terra apresenta muitos desafios:

Criar um plasma termonuclear. A ausência das condições físicas do Sol na Terra tornam a criação do plasma já uma grande tarefa. A Terra conta com uma constante gravitacional muito menor que a do Sol e, logo, pressão muito menor. Assim, como já mencionado, são precisas temperaturas muito mais elevadas — de ordem de 100 milhões de ºC a 200 milhões de ºC — para a agitação suficiente das partículas. Esta primeira etapa só pode ser atingida em câmaras de ultra-alto vácuo, onde a ausência de impurezas evita a contaminação e o resfriamento do plasma.

O plasma deve ser aquecido e confinado por tempo suficiente. Para que a operação de fusão um dia se torne uma usina, ela precisa ser economicamente viável. Para tal, é preciso que a energia gerada pela fusão supere significativamente a energia utilizada para aquecer o plasma.

Ou seja, no fim das contas, todos esses fatores dependem de uma forma de confinamento do plasma. É necessário mantê-lo estável, quente e isolado das paredes por tempo suficiente para que a fusão ocorra e produza mais energia do que consome.

Como Confinar um Plasma

Hoje, existem dois caminhos principais em pesquisa para resolver esse problema:

Confinamento por Campo Magnético (MCF): uso de campos magnéticos intensos para criar uma "gaiola invisível" ao redor do plasma. As partículas carregadas do plasma interagem com o campo e seguem em movimento espiral ao longo das suas linhas, sem tocar as paredes. É a abordagem dos Tokamaks e Stellarators, e o foco desta página.

Confinamento Inercial (ICF): o plasma é comprimido e aquecido rapidamente por lasers, de forma que as condições de pressão e temperatura necessárias para a fusão são atingidas antes que o combustível se desintegre. É a abordagem do NIF (National Ignition Facility), nos EUA, o laboratório que atingiu breakeven científico pela primeira vez em dezembro de 2022 — produzindo mais energia de fusão do que a energia dos lasers entregue ao alvo. Este tipo de confinamento será abordado em outra página.

Confinamento por Campo Magnético

O plasma é um gás ionizado, ou seja, suas partículas carregam carga elétrica. Assim, devido a essa característica, as partículas reagem a campos magnéticos.

Quando um campo magnético intenso é aplicado ao redor do plasma, as partículas passam a se mover de forma ordenada, girando em espiral ao longo das linhas do campo. É esse movimento helicoidal (em formato de mola) que as impede de escapar em direção às paredes do reator.

O desafio é fechar essas linhas de campo sem criar "pontas" por onde as partículas possam escapar. A solução é dobrar o campo em formato toroidal: um anel fechado, em forma de rosca (parecendo um donut). Mas um toro simples não basta. No lado interno do anel, as bobinas ficam mais próximas entre si e o campo magnético é mais forte do que no lado externo — e partículas em campo não-uniforme derivam. Elétrons e íons derivam em direções opostas, separando as cargas e criando um campo elétrico que empurra o plasma para fora do anel.

A solução é torcer as linhas de campo helicoidalmente, fazendo cada partícula alternar entre o lado interno e o externo do toro. Assim, os drifts se cancelam e o plasma permanece confinado. É exatamente para gerar esse campo helicoidal que o Tokamak foi projetado.

O que é um Tokamak e Como ele Funciona

A palavra Tokamak vem do acrônimo russo "toroidalnaya kamera s magnitnymi katushkami" — câmara toroidal com bobinas magnéticas. O nome por si já sintetiza o mecanismo.

O Tokamak consiste em um reator experimental de confinamento magnético de plasma: uma câmara em formato de toro onde campos magnéticos mantêm o plasma estável, quente e isolado das paredes. Isso é possível graças ao seu campo magnético helicoidal, gerado pela combinação de dois campos: o toroidal, produzido pelas bobinas externas que circundam a câmara, e o poloidal, gerado por uma corrente elétrica induzida diretamente no plasma por um solenóide central.

As bobinas do campo toroidal têm formato em "D", não circular. Num formato circular, o campo seria mais intenso no lado interno do anel — onde as bobinas ficam mais próximas — e decresceria com a distância, gerando forças desiguais. A forma em "D" distribui essas forças uniformemente, mantendo a bobina em estado de tensão pura.

A combinação dos dois campos torce as linhas dos campos magnéticos em hélice. Cada partícula alterna entre o lado interno e externo do toro, os drifts se cancelam, e o plasma permanece confinado. Mas confinar o plasma é apenas metade do problema; a outra metade é extrair a energia que ele produz.

Como o Tokamak Gera Energia

Dentro do plasma confinado, núcleos de deutério e trítio colidem e fundem. Cada reação D-T produz dois subprodutos: uma partícula alfa (núcleo de hélio-4, com carga elétrica) e um nêutron livre (sem carga). A energia total liberada é de 17,6 MeV. Como visto anteriormente, essa energia se manifesta como energia cinética, distribuída de forma assimétrica: 80% vai para o nêutron e 20% vai para a partícula alfa.

Essa divisão define a arquitetura do tokamak. A partícula alfa é retida pelo campo magnético e permanece dentro do plasma, transferindo seus 3,5 MeV diretamente ao plasma como calor. Esse aquecimento interno pelas partículas alfa é o que permite a criação de um Burning Plasma — regime em que a reação se torna autossustentada, com o próprio plasma fornecendo a maior parte do calor necessário para manter a fusão, reduzindo a dependência de aquecimento externo. Alcançar esse regime é o que tornaria um tokamak uma usina funcional: sem autossustentação, a máquina consumiria mais energia para manter o plasma aquecido do que conseguiria extrair da fusão, e a equação energética nunca fecharia.

Por outro lado, o nêutron liberado atravessa o campo magnético e é absorvido pelas paredes da câmara, tendo sua energia cinética convertida em calor. Em uma futura usina de fusão, esse calor irá aquecer água, gerar vapor, acionar turbinas e, finalmente, gerar energia elétrica. Ou seja, operará exatamente como uma usina convencional, com a diferença de que o combustível é deutério e trítio e o subproduto é hélio.

Fontes: ITER Organization — What is a Tokamak? · What is Burning Plasma? · FAQs · IAEA — Burning Plasma · DOE — DOE Explains...Burning Plasma · IAEA — Magnetic Fusion Confinement with Tokamaks and Stellarators · EnergyEncyclopedia.com — Tokamak: Main Principles

Os Componentes do Tokamak

Confinar um plasma a 150 milhões de °C e extrair energia útil dele exige uma engenharia de precisão extrema. O ITER, em construção em Cadarache (França), é o maior tokamak já projetado e reúne sete sistemas principais — cada um responsável por uma parte específica da tarefa de criar, manter e proteger o plasma de fusão.

Bobinas de Campo Toroidal

As bobinas de campo toroidal são as responsáveis pelo principal campo magnético do tokamak — o que dá ao plasma seu formato de anel. São 18 bobinas em formato de "D" dispostas ao redor da câmara de vácuo, formando uma gaiola contínua de força magnética.

Cada bobina tem 17 metros de altura, 9 metros de largura e pesa cerca de 360 toneladas, e gera um campo de aproximadamente 11,8 tesla — cerca de 250 mil vezes o campo magnético da Terra. Para suportar essa intensidade sem perder energia, as bobinas são feitas de nióbio-estanho (Nb₃Sn), um supercondutor que opera a –269 °C, resfriado por hélio líquido.

O formato em "D", e não circular, não é estético: distribui as forças magnéticas uniformemente, mantendo cada bobina sob tensão pura e evitando deformações sob o estresse de centenas de milhões de newtons.

Bobinas de Campo Poloidal

Enquanto as bobinas toroidais dão ao plasma sua forma de anel, as bobinas de campo poloidal controlam sua posição e geometria. São 6 anéis horizontais de diferentes diâmetros, posicionados acima e abaixo das bobinas toroidais, circundando todo o conjunto.

Elas modelam o plasma — empurrando-o para cima, para baixo, comprimindo ou alongando sua seção — e o mantêm afastado das paredes da câmara, evitando contato direto e perdas de calor. Sem elas, o plasma seria instável e se chocaria com as superfícies em milissegundos.

As bobinas PF do ITER usam supercondutores de nióbio-titânio (Nb-Ti), mais simples que o Nb₃Sn das TF, suficientes para o campo magnético menos intenso que precisam gerar. A maior delas tem 24 metros de diâmetro.

Solenóide Central

O solenóide central é a espinha dorsal magnética do tokamak — uma coluna vertical de bobinas no eixo da máquina. Sua função é induzir corrente elétrica diretamente no plasma, funcionando como o primário de um gigantesco transformador, em que o plasma é o secundário.

Essa corrente induzida gera o campo poloidal interno ao plasma, que se combina com o campo toroidal das bobinas externas para produzir o campo helicoidal — o que de fato confina as partículas.

O CS do ITER tem 18 metros de altura, 4,3 metros de diâmetro e pesa cerca de 1.000 toneladas. É composto por 6 módulos empilhados, cada um com supercondutor de Nb₃Sn, gerando um campo de 13 tesla — uma das estruturas magnéticas mais poderosas já construídas.

Câmara de Vácuo

A câmara de vácuo é o vaso em formato de toro onde o plasma realmente existe. É hermeticamente selada e mantida em ultra-alto vácuo (10⁻⁷ Pa): qualquer impureza, mesmo uma única molécula de ar, contaminaria e resfriaria o plasma instantaneamente.

É também a primeira barreira de segurança da máquina, contendo as reações nucleares e protegendo o ambiente externo da radiação e do trítio. Suas paredes duplas de aço inoxidável são preenchidas com água para resfriamento e blindagem contra nêutrons.

No ITER, a câmara pesa cerca de 5.200 toneladas, tem 19,4 m de diâmetro e 11,4 m de altura, e possui 44 portas de acesso para diagnóstico, sistemas de aquecimento e manutenção remota.

Manto (Blanket)

O manto reveste toda a parede interna da câmara de vácuo. É a primeira superfície sólida que enfrenta o plasma, e tem duas funções críticas: absorver o calor e os nêutrons rápidos liberados pelas reações de fusão e proteger a câmara, os magnetos e o restante da máquina.

Lembrando que 80% da energia liberada pela fusão D-T vai para os nêutrons, é exatamente no manto que essa energia é convertida em calor — calor que, em uma futura usina, será usado para gerar vapor e eletricidade. Em reatores comerciais, o manto também conterá lítio para produzir o trítio consumido pela fusão, fechando o ciclo do combustível.

No ITER, o manto é composto por 440 módulos de cerca de 4,6 toneladas cada, com primeira parede em berílio (e tungstênio na configuração atualizada), capaz de suportar fluxos de calor extremos sem se degradar.

Divertor

O divertor fica no fundo da câmara e é o componente que mais sofre térmicamente em todo o tokamak. Sua função é extrair as cinzas da reação — o hélio produzido pela fusão D-T — antes que ele se acumule no plasma, dilua o combustível e sufoque a reação.

Ele canaliza as partículas que escapam das bordas do plasma para placas especiais, onde são neutralizadas e bombeadas para fora. Essas placas suportam 10 MW/m² em operação contínua e até 20 MW/m² em transientes — dez vezes mais que o fluxo de calor na reentrada de uma espaçonave na atmosfera.

No ITER, o divertor é composto por 54 cassetes de aço inoxidável de 10 toneladas cada, removíveis por controle remoto. O revestimento é de tungstênio, escolhido por ter o maior ponto de fusão entre todos os metais (3.422 °C).

Criostato

O criostato envolve toda a câmara de vácuo e todos os magnetos supercondutores. É a maior câmara de vácuo de aço inoxidável já construída: 16.000 m³, 28 m de diâmetro e quase 30 m de altura, pesando 3.850 toneladas.

Sua função é manter o ambiente ultra-frio e em vácuo de que os supercondutores precisam para operar. Em menos de 15 metros de distância, ele isola o interior a –269 °C do plasma a +150 milhões de °C — um dos gradientes térmicos mais extremos já criados pela humanidade.

Fontes: ITER Organization — Magnets · Vacuum Vessel · Blanket · Divertor · Cryostat.