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Desvendando os segredos do núcleo de um reator de fusão termonuclear com diagnóstico de emissões nucleares

Pesquisadores de Milão, Itália, revelam as propriedades fundamentais da matéria a 150 milhões de graus medindo sua radiação intrínseca.

A fusão nuclear é o processo que alimenta as estrelas. Ela depende da alta quantidade de energia que é liberada quando alguns núcleos leves se combinam em núcleos mais pesados ​​e fortemente ligados. Estes últimos compartilham o excesso de energia descrito pela famosa relação de Einstein E=Δmc², onde Δm é a diferença entre as massas dos núcleos pesados ​​e leves e c é a velocidade da luz. Uma reação de fusão nuclear libera, em média, um milhão de vezes mais energia do que uma reação de combustão convencional baseada em combustível fóssil, e não é surpreendente que este seja o processo fundamental que alimenta o Universo.

Na Terra, a rota mais promissora para atingir a fusão nuclear para produção de energia é confinar um gás totalmente ionizado, chamado plasma, em uma sofisticada gaiola magnética chamada tokamak.⁷ Certas condições desafiadoras precisam ser atendidas simultaneamente para explorar a fusão nuclear para produção de energia. Uma condição é que o núcleo do plasma atinja uma temperatura de cerca de 150 milhões de graus, que é aproximadamente dez vezes maior do que a temperatura no núcleo do Sol. Outra é que a densidade do plasma seja alta o suficiente para garantir que combustível suficiente passe pela fusão. Uma última é que a energia liberada por tal processo permaneça no sistema por tempo suficiente. Isso é para garantir que as condições necessárias para que a queima da fusão continue sejam mantidas pelo próprio sistema com o mínimo de entrada de energia de fora.

Medir a temperatura e, mais geralmente, as propriedades do núcleo de um reator de fusão é, portanto, uma tarefa fundamental para a implantação da fusão nuclear como fonte de energia na Terra. Mas como fazemos medições de um objeto que se espera que esteja a uma temperatura de 150 milhões de graus? Certamente não podemos empregar uma sonda sólida como termômetro, pois isso provavelmente seria destruído pelo próprio plasma!

A chave para essa tarefa é perceber que o plasma de fusão é uma fonte muito intensa de radiação eletromagnética e nuclear. Isso inclui nêutrons, que são os vetores de energia do processo e nascem da própria reação de fusão, bem como raios gama , que podem ser produzidos espontaneamente pela fusão, por algumas outras reações nucleares que ocorrem predominantemente no núcleo ou pela desaceleração de elétrons rápidos em alguns cenários fora do normal.

O grupo de diagnóstico de nêutrons e raios gama da Universidade de Milano-Bicocca e o Instituto de Ciência e Tecnologia de Plasma, ambos sediados em Milão, Itália, são especialistas mundiais no desenvolvimento de instrumentos para medições de radiação de nêutrons e raios gama de plasmas de fusão magneticamente confinados e sua aplicação para desvendar os segredos do núcleo de um reator de fusão termonuclear.

Medição da emissão de nêutrons do núcleo de plasma

A primeira geração de reatores de fusão termonuclear usará deutério e trítio, dois isótopos de hidrogênio, como combustível. No processo de fusão entre um núcleo de deutério e um núcleo de trítio, um nêutron é liberado, predominantemente do núcleo, e este tem uma energia que depende das propriedades dos núcleos reagentes, por exemplo, sua temperatura e abundância relativa.²

Em outras palavras, similar ao espectro da luz emitida por uma estrela distante, o espectro de energia dos nêutrons nascidos da fusão é uma impressão digital das propriedades dos íons de combustível de plasma que determinam a fusão. Medir nêutrons é, no entanto, uma tarefa não trivial.

Por não serem carregados, os nêutrons não são facilmente capturados, pois eles só ocasionalmente sofrem interações com a matéria. Além disso, quando o fazem, eles podem liberar apenas uma fração de sua energia no detector, complicando a análise.

Uma tarefa significativa em direção ao objetivo de medir nêutrons liberados pela fusão termonuclear é garantir que espectrômetros adequados sejam projetados e construídos, com detalhes finos que frequentemente dependem da aplicação específica. Por essas razões, instrumentos de nêutrons podem parecer bem diferentes entre si. Para algumas aplicações, pequenos detectores que podem ser facilmente integrados ao complexo ambiente de engenharia de um tokamak podem ser implantados. Eles podem ser cintiladores inorgânicos⁵ ou semicondutores, como detectores de diamante de cristal único⁶ cultivados sinteticamente com uma técnica semelhante à recentemente implantada na indústria de joias.

Quando aplicações de banda larga ou sensibilidade especialmente alta a pequenas mudanças nas propriedades do combustível são necessárias, instrumentos mais complexos devem ser projetados e construídos, os quais são, no entanto, mais exigentes para integrar em um reator de fusão. Exemplos são os instrumentos de tempo de voo⁸ ou recuo magnético de prótons¹, como mostrado na Fig. 1 para os tokamaks EAST e JET , respectivamente.

reator de fusão termonuclear
Fig. 1 (esquerda) O espectrômetro de nêutrons MPRu, MagneticPproton Recoil Upgrade, no Joint European Torus (JET) em Culham, Oxfordshire, Reino Unido; (direita) O instrumento TOFED (Time Of Flight Enhanced Diagnostics) no Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) em Hefei, província de Anhui, China

Raios gama e partículas energéticas

Enquanto a maioria dos íons de um reator de fusão termonuclear está em equilíbrio em temperaturas em torno de 150 milhões de graus, uma fração minoritária de partículas tem uma energia muito maior do que isso. Esses são íons rápidos produzidos pelas próprias reações de fusão ou introduzidos pelos sistemas de aquecimento auxiliares que são necessários para controlar externamente a queima da fusão. Em alguns cenários fora do normal, elétrons energéticos – chamados de elétrons fugitivos – também são gerados e, se não forem detectados e mitigados, podem danificar significativamente as paredes da câmara de vácuo onde o plasma está contido em um dispositivo de fusão.

Todas essas minorias energéticas também devem ser diagnosticadas, mas são mais difíceis de detectar em comparação com a maioria dos íons de combustível. Em certo sentido, isso é como procurar uma agulha em um palheiro, com a complicação adicional de que o palheiro está agora a 150 milhões de graus!

Felizmente, partículas energéticas em um dispositivo de fusão também emitem radiação, mais frequentemente radiação eletromagnética de alta energia. Elas são conhecidas como raios gama⁴ e são devidas a algumas outras reações nucleares além da fusão nuclear principal que ocorre no plasma, ou à chamada radiação bremsstrahlung emitida predominantemente pelos elétrons descontrolados.

Dependendo do tipo de partícula e das propriedades, a energia e a intensidade dos raios gama produzidos pelo plasma são diferentes. O objetivo da medição é, neste caso, separar e identificar os diferentes grupos de energia de raios gama que compõem a emissão geral e, por sua análise detalhada, inferir as propriedades das partículas energéticas que foram responsáveis ​​por sua produção. Quanto aos nêutrons, os raios gama interagem apenas ocasionalmente com a matéria e frequentemente liberam apenas uma fração de sua energia total no detector. Isso fornece uma complicação adicional à análise, além da complexidade intrínseca da emissão resultante de vários processos, não apenas de um tipo de reação de fusão, como para os nêutrons.

Por outro lado, a detecção de raios gama requer instrumentos comparativamente mais simples do que os espectrômetros de nêutrons, por exemplo, cintiladores inorgânicos³ de dimensões médias (ver Fig. 2), cujo projeto deve, no entanto, ainda ser personalizado dependendo das condições de medição em cada dispositivo.

Fig. 2: Uma versão mais jovem do autor prepara um espectrômetro de raios gama para medições no tokamak ASDEX Upgrade em Garching, Baviera, Alemanha

Diagnóstico nuclear na era do plasma em combustão

O próximo passo em direção ao objetivo final da produção de energia por fusão nuclear em tokamaks é gerar plasmas em combustão. Esta é uma condição especial onde a queima de fusão é mantida principalmente pelo calor liberado pela reação de fusão, como necessário em um reator de fusão, em vez de pelos sistemas de aquecimento externos.

Várias máquinas estão sendo construídas atualmente para atingir e estudar tal regime. Os projetos mais importantes são talvez o ITER na Europa, o SPARC nos Estados Unidos e o BEST na China.

No regime de queima, o plasma será uma fonte de radiação ainda mais intensa, sugerindo que os diagnósticos de nêutrons e raios gama terão um papel fundamental na revelação dos fenômenos intrincados e não lineares que determinam a dinâmica do plasma de queima fundamentalmente auto-organizado de um reator de fusão.

O grupo de diagnóstico de nêutrons e raios gama de Milão está na vanguarda da pesquisa sobre esse novo e fascinante regime por meio do projeto e desenvolvimento de espectrômetros de nêutrons e raios gama para os mais importantes dispositivos de plasma de combustão em construção.

Além disso, uma geração jovem de cientistas está sendo treinada em nível de doutorado e pós-doutorado para serem pioneiros no uso de tais instrumentos nucleares no território desconhecido de um plasma em combustão e, talvez, contribuir para a descoberta das leis fundamentais que determinam o comportamento de um plasma relevante para o futuro da produção de energia na Terra.

Referências

  1. Ericsson, G., & al. (2001). Espectroscopia de emissão de nêutrons no JET—Resultados do espectrômetro de recuo de prótons magnéticos. Rev. Sci. Instrum .,
    72, 759–766.
  2. Eriksson, J., & al. (2019). Medindo íons rápidos em plasmas de fusão com diagnósticos de nêutrons no JET. Controle de Física de Plasma. Fusão , 61 014027.
  3. Nocente, M., & al. (2013). Espectroscopia de raios gama de alta resolução em taxas de contagem de MHz com cintiladores LaBr3 para aplicações de plasma de fusão. IEEE Trans. Nucl. Sci ., 1408 – 1415.
  4. Nocente, M., & al. (2020). Estudos de física de partículas de alcance MeV em plasmas tokamak usando espectroscopia de raios gama. Plasma Phys. Controle. Fusão , 62 014015.
  5. Nocente, M., & al. (2024). COSMONAUT: Um espectrômetro de COmpact para medições de nêutrons no tokamak de atualização ASDEX. Rev. Sci. Instrum ., 95, 083501.
  6. Rigamonti, D., & al. (2024). O conjunto de diagnóstico baseado em diamante de cristal único do tokamak JET para contagem de nêutrons de 14 MeV e medições de espectroscopia em plasmas DT. Nucl. Fusion , 64 016016.
  7. Tischler, K. (2024). Fusion as the future of baseload energy: Powering a decarbonised world (Fusão como o futuro da energia de carga de base: Alimentando um mundo descarbonizado). Recuperado da Innovation News Network:
    https://www.innovationnewsnetwork.com/fusion-as-the-future-of-baseload-energy-powering-a-decarbonised-world/52112/
  8. Zhang, X., & al. (2014). Diagnosticando plasmas NB no tokamak EAST com um novo espectrômetro de nêutrons de tempo de voo. Nucl. Fusion , 54 104008

FONTE: Innovation News Network

Disponível em: https://www.innovationnewsnetwork.com/unravelling-the-secrets-of-the-core-of-a-thermonuclear-fusion-reactor-with-nuclear-emission-diagnostics/54618/

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