Inside deste dispositivo, cientistas britânicos querem torcer, aquecer e “torturar” o plasma de quase todas as formas possíveis, perseguindo uma forma de energia que um dia poderá rivalizar com as estrelas.
Uma nova fase para a principal experiência de fusão do Reino Unido
Em Culham, perto de Oxford, o Mega Amp Spherical Tokamak Upgrade - felizmente abreviado para MAST Upgrade - acaba de iniciar a sua quinta grande campanha de investigação. O calendário é intenso: cerca de seis meses de experiências intensivas, quase 950 pulsos curtos de plasma, e mais de 200 investigadores de 40 institutos de todo o mundo a revezarem-se na sala de controlo.
Cada pulso dura apenas alguns segundos. Durante esse tempo, o plasma superaquecido fica aprisionado dentro de uma poderosa gaiola magnética. A energia, a pressão e a temperatura sobem para extremos. A mais pequena instabilidade pode matar a descarga ou atirar o plasma quente contra as paredes do vaso.
O MAST Upgrade não pretende alimentar casas; a sua missão é mostrar como um plasma violento, semelhante ao de uma estrela, pode ser controlado com precisão cirúrgica.
A UK Atomic Energy Authority (UKAEA), que opera o local, encara esta quinta campanha como um ponto de viragem. A máquina torna-se uma espécie de “câmara de tortura do plasma”, onde quase todos os parâmetros podem ser levados ao limite, torcidos e colocados sob tensão para compreender o que uma futura central elétrica terá realmente de enfrentar.
Duplicar a potência: novas formas de aquecer e “moldar” o plasma
O tokamak britânico não está apenas a repetir truques antigos. Está prestes a subir um patamar em potência bruta e sofisticação. Duas atualizações-chave estão previstas entre 2026 e 2027.
Ondas de Bernstein de eletrões: aquecimento de dentro para fora
A adição mais chamativa é um novo sistema de aquecimento baseado em Ondas de Bernstein de Eletrões (EBW). Em vez de disparar partículas diretamente para o plasma, este método usa ondas de alta frequência que acoplam aos eletrões e aquecem o plasma a partir do interior.
- A energia é injetada sem contacto físico, reduzindo o esforço mecânico nos componentes.
- As ondas podem ser dirigidas com grande precisão para onde é necessário calor adicional.
- Os investigadores ganham controlo fino sobre a forma do plasma e os perfis de corrente.
Isto é importante porque um plasma de fusão não é apenas um gás quente; é um fluido complexo, eletricamente condutor. A forma como é aquecido altera a sua estabilidade, a sua turbulência e, em última análise, quanta potência de fusão um futuro reator poderá produzir.
Feixes neutros: aumentar a temperatura
Em paralelo com o EBW, o MAST Upgrade está a receber dois novos injetores de feixes neutros. Estes dispositivos aceleram iões a alta energia e depois neutralizam-nos para que consigam atravessar o campo magnético e depositar a sua energia no interior do plasma.
Com estes feixes adicionais, a potência total de aquecimento da máquina deverá aproximadamente duplicar. Isso deverá produzir plasmas:
- mais quentes
- mais densos
- mais próximos das condições necessárias para um reator de fusão comercial
O objetivo não é bater recordes de temperatura para as manchetes, mas garantir acesso fiável a regimes de plasma severos que futuras centrais terão de enfrentar diariamente.
De Culham à primeira central elétrica de fusão do Reino Unido
O MAST Upgrade não é um brinquedo de física isolado. Alimenta diretamente o programa STEP Fusion do governo britânico (Spherical Tokamak for Energy Production), que visa um protótipo de central elétrica de fusão na década de 2040.
O que está a ser testado hoje em Culham são os conceitos, os esquemas de controlo e os componentes que mais tarde terão de funcionar durante anos dentro de uma instalação industrial. Cada bobina magnética de forma estranha, cada nova configuração de divertor ou esquema de aquecimento é avaliado com essa máquina futura em mente.
Cada experiência gera dados: pulsos bem-sucedidos, colapsos súbitos, oscilações estranhas, padrões inesperados de dano nas paredes. Engenheiros e físicos ajustam então os seus modelos e projetos. A abordagem é incremental, mais próxima de ensaios aeroespaciais do que de uma “alunagem” num único tiro.
A fusão avança acumulando milhares de pequenas lições que tornam a máquina seguinte mais barata, mais segura e menos arriscada de construir.
Quatro grandes questões a que o MAST Upgrade quer responder
Durante esta quinta campanha, a investigação no MAST Upgrade gira em torno de quatro temas concretos.
1. Plasmas de alta pressão
Os futuros reatores têm de confinar o máximo de energia possível num pequeno volume. Isso significa plasmas de alta pressão. Mas, à medida que a pressão sobe, também sobem as instabilidades. Compreender onde estão os limites e como os empurrar em segurança é um dos principais objetivos científicos.
2. Estabilidade e controlo
O plasma pode oscilar, torcer-se, entrar em erupção em modos localizados na periferia (ELMs) ou perder subitamente o confinamento. Alguns destes eventos apenas terminam o pulso; outros podem atingir componentes internos com rajadas violentas de calor.
O MAST Upgrade já demonstrou um controlo pioneiro do plasma usando bobinas magnéticas 3D. Esta campanha irá aprofundar esse trabalho: detetar sinais precoces, corrigir a forma e os perfis de corrente em tempo real, e testar algoritmos de controlo que mais tarde possam ser automatizados ou apoiados por IA.
3. Um divertor mais inteligente para reatores futuros
O divertor é a parte de um tokamak que funciona um pouco como um sistema de escape. Recolhe o excesso de calor e partículas antes que danifiquem as paredes. Numa máquina comercial, o divertor enfrentará algumas das condições mais severas de qualquer tecnologia energética.
O MAST Upgrade experimenta uma configuração de divertor compacta e inovadora. O objetivo é:
- espalhar o calor por uma superfície maior
- reduzir os picos de temperatura nos materiais
- permitir reatores menores e mais baratos
Em França, o tokamak WEST foca-se na resistência dos materiais, especialmente divertores de tungsténio em operação quase contínua. Em contraste, o MAST Upgrade concentra-se em novas formas e geometrias que possam tornar os divertores mais fáceis de gerir logo à partida.
4. Simulações numéricas que conseguem prever problemas
A par das experiências, as equipas estão a construir e validar ferramentas avançadas de simulação. A ambição é clara: antes de disparar o plasma, saber aproximadamente o que ele fará.
Estes modelos irão integrar:
- configuração magnética
- esquemas de aquecimento (feixes, ondas)
- perfis de densidade e temperatura do plasma
- instabilidades e cargas térmicas esperadas
Se se revelarem precisos no MAST Upgrade, ferramentas semelhantes poderão reduzir de forma significativa os riscos e os custos de projeto do STEP e de outras futuras centrais.
Onde a máquina do Reino Unido se encaixa na corrida global pela fusão
O MAST Upgrade faz parte de um conjunto concorrido e cada vez mais global de instalações de fusão. Cada máquina tem o seu nicho.
| Instalação | País | Papel principal |
|---|---|---|
| ITER | Internacional (França) | Demonstrar ganho líquido de energia num grande tokamak |
| JT-60SA | Japão / Europa | Apoiar o ITER com plasmas de longa duração |
| MAST Upgrade | Reino Unido | Física do plasma num tokamak esférico compacto, divertor inovador |
| WEST | França | Testar materiais e divertores de tungsténio sob calor contínuo |
| DIII-D | Estados Unidos | Controlo avançado do plasma, incluindo estratégias apoiadas por IA |
Cada instalação fornece dados e experiência para o mesmo objetivo de longo prazo: máquinas que funcionem durante horas e dias, não segundos, e que produzam mais potência de fusão do que consomem.
Porque um “tokamak esférico” parece tão promissor
Uma das especificidades do MAST Upgrade é o seu desenho de tokamak esférico. Em vez da clássica forma de “donut grosso” usada pelo ITER ou pelo JET, a coluna de plasma é mais parecida com uma maçã com caroço, com uma região central mais estreita.
Esta geometria:
- pode alcançar alta pressão do plasma com um campo magnético relativamente modesto
- oferece a possibilidade de reatores mais compactos
- coloca desafios de engenharia para a coluna central e o divertor
Se os desenhos esféricos cumprirem a sua promessa, futuros reatores poderão diminuir de tamanho e, potencialmente, de custo, tornando a fusão mais atrativa para redes nacionais e até para investidores privados.
Essa promessa faz com que o STEP seja particularmente observado: é um dos primeiros projetos nacionais a apostar seriamente numa configuração esférica para uma central protótipo completa.
Termos-chave que o debate muitas vezes simplifica em excesso
A conversa pública sobre fusão mistura frequentemente algumas ideias cruciais, por isso uma clarificação rápida ajuda.
- Fusão vs fissão: a fissão divide átomos pesados (como nas centrais nucleares atuais), enquanto a fusão junta núcleos leves, de forma semelhante aos processos nas estrelas. A fusão usa combustíveis diferentes e produz tipos de resíduos diferentes, sem uma reação em cadeia no mesmo sentido da fissão.
- Plasma: um estado da matéria em que os átomos ficam sem eletrões. Comporta-se tanto como um fluido como como uma teia de campos elétricos e magnéticos. Essa natureza dupla torna-o cientificamente tão rico e tão difícil de controlar.
- Fator Q: uma medida do ganho de energia na fusão. Se Q = 1, o plasma produz tanta potência de fusão quanto a potência de aquecimento injetada. Centrais comerciais têm de alcançar um Q robusto > 1 quando se contabilizam todas as perdas do sistema.
Riscos, benefícios e o que pode correr mal
A fusão é muitas vezes rotulada como “limpa e ilimitada”, o que esconde tanto os seus verdadeiros pontos fortes como os seus verdadeiros problemas.
Do lado dos benefícios, os reatores de fusão usariam quantidades mínimas de combustível, não produziriam CO₂ durante a operação e evitariam resíduos nucleares de alto nível e longa duração. Também não enfrentariam o mesmo risco de fusão do núcleo que reatores convencionais, porque o plasma extingue-se a si próprio se o controlo for perdido.
Do lado dos riscos, o caminho até à fusão comercial é longo e caro. Grandes instalações custam milhares de milhões, e os atrasos são frequentes. Há também questões técnicas sobre a degradação de materiais sob intenso bombardeamento de neutrões e sobre a gestão do trítio, um isótopo radioativo do hidrogénio usado em muitos conceitos de fusão.
O MAST Upgrade está exatamente no meio desta tensão. Ao “torturar” agressivamente o plasma agora - testando altas pressões, stressando divertores, provocando instabilidades de propósito - os cientistas britânicos esperam reduzir o número de surpresas desagradáveis quando o país, finalmente, tentar ligar uma central de fusão à rede na década de 2040.
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