RF-Specific Tungsten Erosion and Global Transport in ITER under Neon Seeding

Dentro da enorme máquina em forma de rosquinha conhecida como reator de fusão, cientistas estão tentando recriar o poder do sol. Para fazer isso, eles devem aquecer uma nuvem de gás, chamada plasma, a temperaturas muito mais quentes que o núcleo do sol. Uma das ferramentas mais poderosas para aquecer este plasma é um sistema que o bombardeia com ondas de rádio de alta frequência, semelhante à energia usada em um micro-ondas, mas em uma escala vastamente diferente. No entanto, essas ondas poderosas podem, às vezes, comportar-se de forma imprevisível quando atingem as paredes metálicas do reator. Assim como um sinal de rádio pode criar estática em um alto-falante, essas ondas podem acumular campos elétricos fortes logo na superfície dos componentes da máquina. Se esses campos se tornarem fortes demais, podem agir como um acelerador violento, lançando átomos das paredes do reator contra o plasma e potencialmente envenenando a reação.

O Reator Termonuclear Experimental Internacional, ou ITER, é a maior tentativa do mundo de construir uma usina de energia de fusão funcional. Ele usará um metal especial chamado tungstênio para suas paredes internas porque o metal pode suportar calor extremo. Mas o tungstênio é pesado, e mesmo uma quantidade minúscula dele flutuando no plasma superquente pode resfriar a reação e interromper a produção de energia. Cientistas sabem há muito tempo que as ondas de rádio usadas para aquecer o plasma poderiam fazer as paredes de tungstênio se desgastarem, mas faltava uma imagem completa de exatamente quanto dano ocorreria ou para onde iria o material desgastado. Um novo estudo realizado por pesquisadores do Laboratório Nacional de Oak Ridge, da Organização ITER e de várias outras instituições finalmente preencheu essas peças que faltavam. Ao construir um modelo computacional sofisticado que simula todo o ambiente do reator, eles previram exatamente como as ondas de rádio interagem com as paredes e quanto tungstênio será erodido sob as condições específicas que o ITER planeja usar.

Os pesquisadores focaram em um cenário onde o reator está preenchido com gás neon, uma técnica usada para ajudar a gerenciar o intenso calor que flui para fora do plasma. Neste ambiente, as ondas de rádio criam um campo elétrico invisível e complexo logo ao lado da antena que envia as ondas para o plasma. Este campo atua como uma rampa, acelerando íons — átomos carregados do gás neon e do próprio combustível — em direção às paredes de tungstênio. Quando esses íons de alta velocidade atingem a parede, eles desprendem átomos de tungstênio. A equipe usou uma estrutura de simulação detalhada chamada STRIPE para rastrear este processo do início ao fim. Eles combinaram um modelo do fluxo de plasma com cálculos de como as ondas de rádio se comportam, como os íons aceleram e como os átomos de tungstênio desprendidos se movem pela máquina.

Os resultados da simulação foram impressionantes. Sob a influência das ondas de rádio, os campos elétricos perto das paredes da antena podem atingir voltagens de até 3.000 volts. Isso é muito superior aos campos elétricos naturais que existem no plasma sem as ondas de rádio. Devido a esse impulso extra, a quantidade de tungstênio sendo arrancado das paredes aumenta dramaticamente. O estudo descobriu que a quantidade total de tungstênio erodido da área da antena é cerca de 64 vezes maior do que seria se as ondas de rádio não estivessem presentes. Isso cria uma fonte de aproximadamente 3,34 quatrilhões de átomos de tungstênio por segundo. No entanto, a história não termina com a erosão. Os pesquisadores também rastrearam para onde esses átomos foram. Eles descobriram que cerca de 90 por cento do tungstênio erodido escapa da área imediata e viaja para o resto do reator, enquanto apenas cerca de 10 por cento cai de volta na parede próxima.

Talvez a descoberta mais surpreendente não tenha sido apenas quanto tungstênio foi perdido, mas o que estava causando o impacto. Os cientistas presumiam que os átomos de neon com maior carga seriam os principais culpados, pois ganhariam mais velocidade com os campos elétricos. Em vez disso, a simulação mostrou que uma mistura de átomos de neon com níveis de carga baixos e médios era responsável pela maior parte do dano. Isso aconteceu porque havia simplesmente muito mais desses átomos de carga moderada atingindo a parede, embora cada átomo individual atingisse com menos força do que os de carga mais alta. O estudo também revelou que o local do pior dano não era exatamente onde o campo elétrico era mais forte. A erosão era maior onde o campo elétrico forte se sobrepunha a uma alta densidade de partículas de plasma que entravam. Foi a combinação de um forte impulso e uma multidão de partículas que causou o maior desgaste, e não o campo elétrico isoladamente.

Apesar do aumento massivo na erosão causado pelas ondas de rádio, os pesquisadores concluíram que esta fonte específica de tungstênio dificilmente será o problema principal para o reator. Quando compararam a quantidade de tungstênio vinda da antena com a quantidade vinda do restante das paredes do reator, a contribuição da antena era ínfima. A erosão da antena foi cerca de 1.000 vezes menor que a erosão da base do reator (o divertor) e mais de 100 vezes menor que a erosão das paredes da câmara principal. Mesmo com as ondas de rádio tornando a antena uma fonte de tungstênio muito mais ativa, a quantidade total de metal entrando no plasma a partir desta área permanece pequena o suficiente para que não deva dominar a contaminação geral do reator.

O estudo também observou como os átomos de tungstênio se movem pelo reator após serem desprendidos. Após apenas uma fração de segundo, cerca de 22 por cento dos átomos de tungstênio móveis que entraram no plasma foram encontrados na região confinada onde ocorre a reação de fusão. Isso corresponde a uma concentração muito baixa, sugerindo que, embora as ondas de rádio criem uma fonte local de impurezas, o fluxo natural do plasma é eficaz em diluí-las. O trabalho demonstra que prever o comportamento de um reator de fusão requer olhar para todo o sistema em conjunto. Não se pode simplesmente calcular quanto uma parede se erode em um ponto; deve-se entender como as ondas de rádio, o fluxo de plasma, os campos magnéticos e o movimento de impurezas interagem todos. Ao vincular com sucesso esses diferentes processos físicos, os pesquisadores forneceram uma nova ferramenta poderosa para projetar futuros reatores. Suas descobertas sugerem que, embora as ondas de rádio causem um desgaste local significativo na antena, elas não sobrecarregarão o reator com tungstênio, dando aos engenheiros confiança de que o design do ITER pode gerenciar essas interações de forma eficaz.