O CONFINAMENTO DOS PLASMAS POR CAMPOS MAGNÉTICOS

Tipo de configuração magnética

Abandonado a ele próprio, um plasma ocupa, tal como qualquer gás, todo o espaço geométrico disponível, devido às colisões entre partículas. O plasma pode ser confinado por campos magnéticos, visto que as trajetórias dos ions e dos eletrons que o constituem são hélices que se enrolam em torno das linhas de força do campo magnético.

Se um recipiente está mergulhado num campo magnético retilineo, as partículas do plasma não podem atingir as paredes laterais, mas vão colidir com as extremidades do recipiente. Para evitar este contato das partículas com as paredes materiais, foram estudados dois tipos de configuração magnética:

• as configurações lineares onde a intensidade do campo magnético é reforçada nas extremidades do recipiente para que a partícula se possa refletir no 'espelho magnético' antes de qualquer contato material. Este movimento de vai-vem das partículas é no entanto sujeito a perdas nos espelhos devido às colisões entre partículas; devido a estas perdas estas configurações não são considerados para os reatores;
• as configurações toroidais que suprimem as perdas nas extremidades devido ao fecho das linhas de força sobre elas próprias. O estudo teórico das trajetórias das partículas mostra que para o seu confinamento é necessário sobrepor ao campo toroidal uma componente do campo que lhe seja perpendicular (campo poloidal). As linhas de força do campo total são então hélices em torno das quais evoluem as partículas do plasma.

• os tokamaks,
• os stellarators,
• os RFP ("reverse field pinch" , com 'constrição' do campo magnético).

No stellarator , a helicidade das linhas do campo é produzida por um conjunto de bobinas, elas próprias tendo por vezes a forma helicoidal. Não é induzida exteriormente nenhuma corrente no plasma.

No RFP, as componentes toroidal e poloidal do campo são criadas como no tokamak, mas a corrente que circula no plasma é bastante mais intensa que num tokamak com o mesmo campo toroidal. O estabelecimento dos campos faz-se numa escala de tempo tal que daí resulta uma reorganização interna espontânea dos campos magnéticos conduzindo à inversão do sentido do campo toroidal no seio do plasma.

Aquecimento do plasma nas configurações toroidais

No caso do tokamak e do RFP, a corrente que circula no plasma e que cria a componente poloidal do campo poloidal do campo magnético serve também para aquecer o plasma por efeito Joule. Este processo é eficaz até uma temperatura da ordem de 10 milhões de graus, para além da qual a resistividade do plasma é demasiado baixa para que exista uma dissipação significativa. Por esta razão têm sido desenvolvidos sistemas de aquecimento adicional para permitir ao plasma atingir as temperaturas termonucleares. (Para os stellarators estes meios de aquecimento serão os únicos a garantir a energia necessária, pois nesta configuração não é induzida corrente no plasma).

São utilizados três métodos de aquecimento adicional:

• Aquecimento por injeção de neutrons:

Um feixe de ions, criado e acelerado fora da máquina de confinamento, é neutralizado antes de penetrar no espaço onde existe o campo magnético. Os átomos neutros são ionizados no plasma e confinados pelo campo magnético. As colisões redistribuem a energia e a temperatura do plasma aumenta.
• Aquecimento por ondas de radiofrequência: O plasma pode absorver a energia de ondas eletromagnéticas nas frequências de ressonância do meio (em particular as frequências ciclotrónicas dos ions e dos eletrons). As antenas revestem uma parte da parede e são alimentadas por potentes geradores de ondas. A escolha da frequência permite definir a espécie de partículas que será aquecida e a região onde se fará a absorção e o consequente aquecimento.
• Compressão adiabática do plasma: Este método assenta no deslocamento do plasma de uma região de campo magnético fraco para uma região de campo magnético forte; o deslocamento é obtido aumentando progressivamente a componente vertical do campo magnético. Como isto implica um funcionamento pulsado com fortes constrangimentos técnicos sobre a máquina, este método é pouco aplicado. Apenas o TFTR (Princeton,USA) o utilizou recentemente.

A geração atual das grandes máquinas (TFTR nos Estados Unidos, JT60 no Japão, JET na Europa), completada por um grande número de máquinas de tamanho médio, concentram a sua investigação em vários grandes temas:

• Confinamento: O estudo do transporte da matéria e do calor através do campo magnético permite qualificar o confinamento. Este estudo exige o varrimento de um grande número de parâmetros (campo magnético, corrente, densidade, temperatura,...) e a medição de perfis espaciais e temporais de numerosas caraterísticas do plasma.
• Pureza do plasma: As impurezas libertadas no contato parede/plasma aumentam as perdas por radiação e diluem o combustível. Na operação com um limitador magnético, o elemento material que assegura o contato pode ser afastado do plasma. O revestimento da parede por materiais leves (B,Be,C) é uma técnica comprovada e constantemente melhorada.
• Funcionamento estacionário ou quase-estacionário: A corrente no plasma só pode ser induzida por efeito transformador durante um tempo limitado. São, por isso, utilizados métodos não indutivos de geração de corrente (por feixes de neutros ou por ondas de rádio-frequência), os quais permitem manter a corrente no plasma.
• Disrupções: O Tokamak funciona num domínio limitado de parâmetros. Fora desse domínio, a corrente é interrompida bruscamente - ocorre uma disrupção. Daí resultam consequências mecânicas e térmicas importantes na estrutura e sobre as paredes. O estudo dos sinais precursores dessas disrupções permitirá tomar medidas preventivas.
• Aquecimento por partículas alfa Até agora não foram realizadas experiências nas quais o plasma tenha sido aquecido principalmente pelas partículas-alfa. Na fase D-T do JET, em 1996, a contribuição das partículas-alfa deverá representar 20% da potência total de aquecimento.


A presença de uma quantidade importante de partículas alfa pode ser a origem de novas instabilidades e do aumento da diluição do combustível. Será necessário um sistema eficaz de extração de residuos de hélio.

A máquina JET, que é o maior tokamak em operação (volume do plasma: 140 m³) atingiu o melhor desempenho para o produto n₀T₀t_E com o valor 9x10²⁰ m^-3.KeV.s.

Para que a ignição possa ocorrer este produto deve ser seis vezes mais elevado.

Em Novembro de 1991, foram efetuadas no JET as primeiras experiências com uma mistura D-T (sendo a concentração de trítio limitada a 11%). A obtenção de uma potência de fusão de 1.7 MW, com uma produção total de energia de fusão de 2 MJ permite prever que em 1996, com uma concentração de trítio igual a 50%, o "Breakeven" será atingido. (Situação em que a potência de fusão iguala a potência de aquecimento do plasma).

Investigação em stellarators

Esta configuaração magnética, produzida por bobinas externas colocadas em torno da câmara de vácuo, não tem simetria axial (a seção do plasma modifica-se ao longo do toro). Estudam-se diversos tipos de stellarators que diferem em particular na periodicidade das componentes toroidais e poloidais do campo.

As formas dos anéis dobrados helicoidalmente são difíceis de calcular e concretizar: só devido ao desenvolvimento de potentes computadores e a métodos de fabricação sofisticados, foi possível projetar e construir stellarators com bobinas tridimensionais e modulares.

No stellarator W7-AS (Garching, RFA), o plasma é criado e aquecido por ondas com a frequência eletro-ciclotrônica. A qualidade do confinamento é semelhante à dos tokamaks.

Um outro stellarator com bobinas modulares, Heliac - TJ-II, está em construção (Madrid, Espanha). A câmara de vácuo tem igualmente uma forma muito complexa para acompanhar a forma do plasma e permitir o acesso de estruturas mecânicas e diagnósticos.

A vantagem intrínseca dos stellarators é a ausência de corrente toroidal (não existe transformador, não ocorrem disrupções), o que permite um funcionamento contínuo. Os temas de investigação são essencialmente os mesmos que existem para os tokamaks.

Investigação sobre "Reverse Field Pinch" (RFP)

Tal como o tokamak, este sistema tem simetria axial. A diferença principal reside na distribuição espacial do campo magnético toroidal que muda de sinal na fronteira do plasma.

A máquina RFX de Pádua tem por objetivo o estudo dos problemas físicos de auto-reorganização do campo magnético, que é específico desta configuração. Além disso, o estabelecimento de leis de escala para o confinamento permitirá comparar esta configuração com outras toroidais que são hoje muito mais avançadas.