Um tokamak é uma máquina que confina plasma em uma configuração aproximadamente toroidal por meio de campos magnéticos. Seu campo resulta da combinação dos campos produzidos por bobinas externas com o campo gerado por uma corrente elétrica no próprio plasma. O tokamak é uma das configurações mais estudadas de confinamento magnético para fusão e é desenvolvido como possível base para a produção de energia de fusão.
Nos tokamaks convencionais, um solenoide central induz a corrente do plasma. Bobinas externas produzem o campo toroidal e ajudam a controlar a posição e a forma do plasma. A combinação dos componentes toroidal e poloidal produz linhas de campo helicoidais. O aquecimento pode empregar a própria corrente, feixes de partículas neutras, ressonância ciclotrônica eletrônica, ressonância ciclotrônica de íons e ondas híbridas inferiores. A operação puramente indutiva é pulsada, mas métodos não indutivos de sustentação da corrente permitem estudar descargas prolongadas e regimes estacionários.
O JT-60SA, no Japão, produziu plasmas com volume de 160 m³ após seu primeiro plasma, em 23 de outubro de 2023. Uma nova etapa de comissionamento integrado começou em 27 de fevereiro de 2026, em preparação para experimentos de aquecimento. Outros programas experimentais incluem o WEST, na França, o EAST, na China, o DIII-D, nos Estados Unidos, e o KSTAR, na Coreia do Sul. O ITER, em construção em Cadarache, na França, foi projetado para estudar plasmas nos quais o aquecimento pelas próprias reações de fusão predomine. Seu cronograma de referência de 2024 prevê o início das operações de pesquisa em 2034, o alcance da energia magnética total em 2036 e a operação com deutério-trítio em 2039.
Projetos menores, entre eles tokamaks esféricos como o MAST Upgrade, no Reino Unido, investigam parâmetros de desempenho e problemas de engenharia. Empresas privadas de fusão nuclear também trabalham com tokamaks. A Commonwealth Fusion Systems constrói o SPARC em Devens, Massachusetts, com a meta de demonstrar ganho de energia de fusão superior à unidade em 2027.
O conceito foi desenvolvido pelos físicos soviéticos Andrei Sakharov e Igor Tamm em 1950. Experimentos com sistemas toroidais começaram em 1951 no Instituto Kurchatov, em Moscou, sob a direção de Lev Artsimovich. O T-1, que entrou em operação no fim da década de 1950, é geralmente apresentado como o primeiro tokamak. Em 1958, União Soviética, Estados Unidos e Reino Unido divulgaram resultados de pesquisas de fusão que até então eram mantidas em sigilo.
A expansão internacional da pesquisa com tokamaks ganhou impulso com os resultados soviéticos apresentados em 1968 e sua confirmação, em 1969, por uma equipe britânica do laboratório de Culham. O uso de um campo toroidal intenso, combinado com uma corrente de plasma relativamente menor que a dos sistemas pinch anteriores, permitia reduzir certas instabilidades. O fator de segurança, representado por q, expressa o número médio de voltas toroidais de uma linha de campo por volta poloidal. O critério de Kruskal-Shafranov, em sua forma simples, exige q maior que 1 na borda para evitar a instabilidade ideal de torção externa. Essa condição não elimina todas as instabilidades do plasma.
Em meados da década de 1970, dezenas de tokamaks funcionavam em diferentes países. O Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), nos Estados Unidos, tornou-se outro centro de pesquisa, com aparelhos como o Princeton Large Torus, de 1975. Os trabalhos soviéticos também testaram ímãs supercondutores e configurações de divertor. O T-7, de 1978, empregou bobinas supercondutoras para produzir o campo toroidal.
O Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR) e o Joint European Torus (JET) realizaram experiências com trítio misturado ao deutério e investigaram o aquecimento produzido pelas partículas alfa das reações de fusão. Em 1997, o JET atingiu aproximadamente 16 MW de potência de fusão e fator de ganho Q de 0,67. Em sua última campanha com deutério-trítio, em 2023, produziu 69 MJ de energia de fusão numa descarga de cinco segundos.
Essas máquinas também expuseram problemas de confinamento, estabilidade e engenharia que exigiam novos experimentos. O projeto internacional ITER surgiu após o apoio dado à cooperação em fusão por Ronald Reagan e Mikhail Gorbachev na reunião de Genebra de novembro de 1985. Seus estudos conceituais começaram em 1988. A montagem do tokamak em Cadarache começou em 2020.
Etimologia
A palavra tokamak é uma transliteração do russo . Uma expansão do acrônimo é:
toroidál'naya kámera s magnítnymi katúshkami "câmara toroidal com bobinas magnéticas"
Outra expansão é:
toroidál'naya kámera s aksiál'nym magnítnym pólyem "câmara toroidal com campo magnético axial".
O nome foi proposto por Igor Golovin, colaborador de Igor Kurchatov, inicialmente na forma tokamag, formada a partir de palavras russas correspondentes a "câmara toroidal magnética". Natan Yavlinsky propôs a terminação -mak, que se tornou a forma adotada.
Na língua russa, a letra final г de corresponde normalmente à oclusiva velar sonora [g], mas a consoante sofre ensurdecimento no fim da palavra e é pronunciada como a oclusiva velar surda [k]. As duas grafias, por isso, têm a mesma pronúncia final.
História
miniatura|direita|Selo soviético de 1987 com um sistema termonuclear tokamak.
Primeiros passos
Em 1934, Mark Oliphant, Paul Harteck e Ernest Rutherford obtiveram reações de fusão em laboratório ao lançar núcleos acelerados de deutério contra alvos que também continham deutério. Seus experimentos permitiram estudar os produtos das reações e sua ocorrência em função da energia das partículas incidentes.
Um feixe de partículas lançado contra um alvo não oferece, por si só, um caminho simples para produzir energia líquida de fusão. A seção de choque da reação é pequena em comparação com a probabilidade de outros processos que retiram energia das partículas. A maior parte da energia fornecida ao feixe é dissipada sem produzir fusão.
Uma alternativa é aquecer o combustível como um todo, de modo que seus núcleos colidam continuamente em alta velocidade. Daí vem o termo termonuclear. Em cálculos realizados em 1944, Enrico Fermi examinou a possibilidade de uma reação autossustentada em temperaturas da ordem de 50.000.000 K. O autoaquecimento exigiria que a energia depositada pelas reações compensasse as perdas do combustível. A temperatura necessária depende também da composição, da densidade e do confinamento, e não constitui um limiar universal de ignição.
Durante o Projeto Manhattan, a explosão de uma bomba atômica forneceu um caminho para alcançar temperaturas dessa ordem. Em 1944, Fermi apresentou uma palestra sobre a física da fusão relacionada a uma então hipotética bomba de hidrogênio. Também haviam começado tentativas de produzir fusão controlada. James L. Tuck e Stanisław Ulam testaram cargas ocas destinadas a comprimir uma folha metálica impregnada de deutério, sem sucesso.
As primeiras tentativas britânicas de construir uma máquina de fusão começaram com George Paget Thomson, que escolheu o efeito pinch como técnica de pesquisa em 1945. Depois de não conseguir financiamento, Thomson encarregou seus alunos Stanley W. Cousins e Alan Alfred Ware de montar um aparelho usando equipamentos excedentes de radar. O dispositivo funcionou em 1948, mas não demonstrou fusão e não despertou interesse da Atomic Energy Research Establishment.
Carta de Lavrentiev
Em 1950, Oleg Lavrentiev, então sargento das Forças Terrestres Soviéticas estacionado em Sacalina, escreveu ao Comitê Central do Partido Comunista da União Soviética. Sua carta apresentava a ideia de usar uma bomba atômica para iniciar a fusão de combustível e propunha um sistema de campos eletrostáticos para manter plasma quente em estado estacionário e produzir energia.
A carta chegou a Andrei Sakharov para avaliação. Sakharov considerou o problema merecedor de investigação, mas observou que o plasma atingiria os fios dos eletrodos. Sua análise examinou a dificuldade de construir uma malha que refletisse quase todos os núcleos incidentes sem absorver uma parcela excessiva de sua energia.
O Comitê Central recebeu a carta em 29 de julho. Sakharov entregou sua avaliação em 18 de agosto e, em outubro, ele e Igor Tamm haviam concluído estimativas para um reator de fusão com confinamento magnético. Em janeiro de 1951, a proposta recebeu apoio para prosseguir.
Confinamento magnético
Quando a matéria é aquecida às temperaturas necessárias para a fusão termonuclear, os elétrons se separam dos átomos. O resultado é um plasma de elétrons e núcleos eletricamente carregados. Embora seja aproximadamente neutro em escala macroscópica, esse plasma conduz eletricidade e responde a campos elétricos e magnéticos.
A preocupação de Sakharov com os eletrodos levou-o a estudar o confinamento magnético no lugar do eletrostático. Uma partícula carregada gira ao redor da direção local do campo magnético enquanto pode se deslocar ao longo dela. A combinação desses movimentos produz uma trajetória helicoidal.
Um solenoide produz, em seu interior, um campo aproximadamente paralelo ao eixo. Esse campo dificulta o movimento das partículas até as paredes laterais, mas não impede que escapem pelas extremidades. Curvar o sistema até formar um toro elimina as extremidades abertas.
Sakharov discutiu a proposta com Igor Tamm. No fim de outubro de 1950, os dois escreveram um relatório e o enviaram a Igor Kurchatov, diretor do programa soviético de armas atômicas, e a seu adjunto Igor Golovin. A configuração inicial, contudo, não resolvia um problema fundamental. Em um toro, o campo é mais intenso no lado interno que no externo. Sua curvatura e a variação de intensidade provocam derivas das partículas, impedindo o confinamento por um campo puramente toroidal.
Em visitas ao Laboratório de Instrumentos de Medição da Academia de Ciências da URSS, o LIPAN, Sakharov propôs duas soluções. Uma consistia em suspender um anel condutor de corrente no interior do toro. Seu campo se combinaria com o produzido pelas bobinas externas, formando linhas helicoidais. As partículas percorreriam diferentes posições na seção do plasma, em órbitas que poderiam permanecer confinadas. A alternativa era induzir corrente no próprio plasma por meio de um ímã externo, em vez de usar um anel metálico separado.
Em janeiro de 1951, Kurchatov reuniu pesquisadores no LIPAN para discutir as propostas de Sakharov. Elas receberam apoio e, em fevereiro, um relatório foi enviado a Lavrenti Beria, que supervisionava o programa atômico soviético.
Richter e o início da corrida pela fusão
miniatura|upright=1.5|Ronald Richter, à esquerda, com Juan Domingo Perón.
Em 25 de março de 1951, o presidente argentino Juan Domingo Perón anunciou que o cientista Ronald Richter havia conseguido produzir fusão em laboratório no chamado Projeto Huemul. O anúncio chamou atenção internacional, mas as alegações de fusão termonuclear controlada não foram confirmadas. A instalação não tinha condições de aquecer o combustível ao regime anunciado.
A cobertura da imprensa despertou interesse político pelas pesquisas de fusão. No Reino Unido, Thomson recebeu recursos que antes lhe haviam sido negados. Em poucos meses, dois projetos baseados no pinch estavam em funcionamento. Nos Estados Unidos, Lyman Spitzer leu sobre Huemul, rejeitou as alegações e começou a projetar uma máquina que pudesse funcionar. Em maio de 1951, recebeu US$ 50.000 para iniciar pesquisas sobre o stellarator. Jim Tuck, depois de conhecer os equipamentos pinch britânicos, obteve a mesma quantia diretamente do orçamento de Los Alamos.