A fusão por confinamento magnético (FCM) é uma abordagem para gerar energia de fusão termonuclear que utiliza campos magnéticos para confinar o combustível de fusão na forma de um plasma. O confinamento magnético é um dos dois principais ramos da pesquisa em fusão controlada, ao lado da fusão por confinamento inercial.

As reações de fusão para reatores geralmente combinam núcleos atômicos leves de deutério e trítio para formar uma partícula alfa (núcleo de hélio-4) e um nêutron, onde a energia é liberada na forma de energia cinética dos produtos da reação. Para superar a repulsão eletrostática entre os núcleos, o combustível deve atingir uma temperatura de centenas de milhões de kelvin, na qual o combustível fica completamente ionizado e se torna um plasma. Além disso, o plasma deve ter uma densidade suficiente, e a energia deve permanecer na região de reação por um tempo adequado, conforme especificado pelo critério de Lawson (produto triplo). A alta temperatura de um plasma de fusão impede o uso de recipientes materiais para o confinamento direto. A fusão por confinamento magnético tenta usar a física do movimento de partículas carregadas para reter as partículas do plasma aplicando fortes campos magnéticos.

Os tokamaks e stellarators são os dois principais dispositivos candidatos da FCM atualmente. A investigação do uso de várias configurações magnéticas para confinar o plasma de fusão começou na década de 1950. As primeiras máquinas simples de espelho e toroidais apresentaram resultados decepcionantes de baixo confinamento. Após a desclassificação da pesquisa em fusão pelos Estados Unidos, Reino Unido e União Soviética em 1958, um avanço em dispositivos toroidais foi relatado pelo Instituto Kurchatov. Seu tokamak demonstrou uma temperatura superior a cerca de 10 milhões de kelvin e milissegundos de tempo de confinamento, o que foi confirmado por uma equipe britânica visitante. Desde então, os tokamaks tornaram-se a linha dominante de pesquisa globalmente, com a construção e operação do JET, TFTR e JT-60. O experimento de tokamak do Reator Experimental Termonuclear Internacional (ITER), atualmente em construção e que visa demonstrar o ganho líquido de energia, será o maior dispositivo de FCM do mundo.

Experimentos com plasmas de deutério-trítio no TFTR'Results from deuterium-tritium Tokamak confinement experiments' R.J. Hawryluk, 1998 Reviews of Modern Physics {\bf 70} 537 https://doi.org/10.1103/RevModPhys.70.537 geraram 1,6 GJ de energia de fusão entre 1993 e 1996. A potência de fusão de pico foi de 10,3 MW a partir de 3,7 x 10 reações por segundo, e a energia de fusão de pico gerada em uma única descarga foi de 7,6 MJ. Experimentos subsequentes no JET alcançaram uma potência de fusão de pico de 16 MW (5,8 x 10 /s) durante a campanha DTE1'High fusion power steady state operation in JET DT plasmas' L.D. Horton, et al., Nuclear Fusion 39 993 DOI 10.1088/0029-5515/39/8/304, e uma descarga que produziu 69 MJ durante a recente campanha DTE3 (consumindo 0,2 mg de D e T).

O recorde atual de potência de fusão gerada por dispositivos de FCM pertence ao JET. Em 2021, o JET manteve um fator de ganho de Q = 0,33 por 5 segundos e produziu 59 megajoules de energia. O recorde para o fator de ganho foi de 0,67, alcançado em 1997, e o ganho no núcleo do plasma Q para essa descarga é calculado em 1,3, utilizando o código de modelagem integrada TRANSP. "Core fusion power gain and alpha heating in JET, TFTR, and ITER", R.V. Budny, J.G. Cordey and TFTR Team and JET Contributors, Nuclear Fus. (2016) <56> 056002 #5 (May) https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0029-5515/56/5/056002

Embora os primeiros stellarators de baixo confinamento na década de 1950 tenham sido ofuscados pelo sucesso inicial dos tokamaks, o interesse pelos stellarators ressurgiu devido à sua capacidade inerente de operação em regime permanente e livre de disrupções, ao contrário dos tokamaks. O maior experimento de stellarator do mundo, o Wendelstein 7-X, começou a operar em 2015.

Um dos desafios da pesquisa de FCM é o desenvolvimento e a extrapolação de cenários de plasma para condições de usinas de energia, onde o bom desempenho de fusão e o confinamento de energia devem ser mantidos. Soluções potenciais para outros problemas, como exaustão de potência no divertor, mitigação de transientes (disrupções, elétrons fugitivos, modos localizados na borda), manuseio de fluxo de nêutrons, regeneração de trítio e a física de plasmas em combustão, estão sendo ativamente estudadas. O desenvolvimento de novas tecnologias em diagnósticos de plasma, controle em tempo real, materiais voltados para o plasma, fontes de micro-ondas de alta potência, engenharia de vácuo, criogenia e ímãs supercondutores são essenciais na pesquisa de FCM.

Tipos

Espelhos magnéticos

Uma importante área de pesquisa nos primeiros anos do estudo da energia de fusão foi o espelho magnético. A maioria dos primeiros dispositivos de espelho tentava confinar o plasma próximo ao foco de um campo magnético não planar gerado em um solenoide, com a intensidade do campo aumentada em ambas as extremidades do tubo. Para escapar da área de confinamento, os núcleos tinham que entrar em uma pequena área anular perto de cada ímã. Sabia-se que os núcleos escapariam por essa área, mas acreditava-se que isso poderia ser superado adicionando e aquecendo o combustível continuamente.

Em 1954, Edward Teller fez uma palestra na qual delineou um problema teórico sugerindo que o plasma também escaparia rapidamente para os lados através dos campos de confinamento. Isso ocorreria em qualquer máquina com campos magnéticos convexos, que existiam no centro da área do espelho. As máquinas existentes enfrentavam outros problemas e não estava claro se isso estava acontecendo. Em 1961, uma equipe soviética demonstrou conclusivamente que essa instabilidade canelada estava de fato ocorrendo; quando uma equipe dos EUA declarou que não estava vendo esse problema, os soviéticos examinaram o experimento americano e notaram que isso se devia a um simples erro de instrumentação.

A equipe soviética também introduziu uma solução potencial na forma das "barras de Ioffe". Elas dobravam o plasma em um novo formato que era côncavo em todos os pontos, evitando o problema apontado por Teller. Isso demonstrou uma clara melhoria no confinamento. Uma equipe do Reino Unido introduziu uma disposição mais simples desses ímãs, chamada de "bola de tênis", que foi adotada nos EUA como "bola de beisebol". Várias máquinas da série "baseball" foram testadas e mostraram um desempenho muito superior. No entanto, cálculos teóricos mostraram que a quantidade máxima de energia que poderiam produzir seria aproximadamente igual à energia necessária para operar os ímãs. Como uma máquina geradora de energia, o espelho parecia ser um beco sem saída.

Na década de 1970, uma solução foi desenvolvida. Ao colocar uma bobina "baseball" em cada extremidade de um solenoide grande, todo o conjunto podia reter um volume muito maior de plasma e, portanto, produzir mais energia. Planos começaram a ser feitos para construir um grande dispositivo com esse projeto de "espelho tandem", que se tornou o Mirror Fusion Test Facility (MFTF). Como esse arranjo nunca havia sido testado antes, uma máquina menor, o Tandem Mirror Experiment (TMX), foi construída para testá-lo. O TMX demonstrou uma nova série de problemas que sugeriam que o MFTF não atingiria suas metas de desempenho e, durante a construção, o MFTF foi modificado para MFTF-B. No entanto, devido a cortes orçamentários, um dia após a conclusão da construção do MFTF, ele foi desativado. Os espelhos viram pouco desenvolvimento desde então.

Máquinas toroidais thumb|Conceito de um reator de fusão toroidal

Z-pinch

O primeiro esforço real para construir um reator de fusão controlado usou o efeito de estrangulamento (pinch) em um recipiente toroidal. Um grande transformador envolvendo o recipiente foi usado para induzir uma corrente no plasma interior. Essa corrente cria um campo magnético que comprime o plasma em um anel fino, "estrangulando-o". A combinação de aquecimento por efeito Joule pela corrente e aquecimento adiabático à medida que ele se comprime eleva a temperatura do plasma para a faixa necessária de dezenas de milhões de kelvins.

Construídas pela primeira vez no Reino Unido em 1948, e seguidas por uma série de máquinas cada vez maiores e mais potentes no Reino Unido e nos EUA, todas as primeiras máquinas se mostraram sujeitas a fortes instabilidades no plasma. Destaca-se entre elas a instabilidade de dobra (kink), que fazia com que o anel comprimido se debatesses e colidisse contra as paredes do recipiente muito antes de atingir as temperaturas necessárias. O conceito era tão simples, no entanto, que esforços hercúleos foram despendidos para resolver esses problemas.

Isso levou ao conceito de "pinch estabilizado", que adicionou ímãs externos para "dar uma espinha dorsal ao plasma" enquanto ele se comprimia. A maior máquina desse tipo foi o reator britânico ZETA, concluído em 1957, que pareceu produzir fusão com sucesso. Apenas alguns meses após seu anúncio público em janeiro de 1958, essas alegações tiveram que ser retratadas quando se descobriu que os nêutrons observados eram criados por novas instabilidades na massa do plasma. Estudos adicionais mostraram que qualquer projeto desse tipo seria atingido por problemas semelhantes, e a pesquisa usando a abordagem z-pinch foi amplamente encerrada.

Stellarators

Uma tentativa inicial de construir um sistema de confinamento magnético foi o stellarator, introduzido por Lyman Spitzer em 1951. Essencialmente, o stellarator consiste em um toro que foi cortado ao meio e depois reconectado com seções retas de "cruzamento" para formar a figura de um 8. Isso tem o efeito de propagar os núcleos do interior para o exterior enquanto orbitam o dispositivo, cancelando assim o desvio ao longo do eixo, pelo menos se os núcleos orbitarem rápido o suficiente.

Pouco tempo após a construção das primeiras máquinas em formato de figura 8, notou-se que o mesmo efeito poderia ser alcançado em uma disposição completamente circular, adicionando um segundo conjunto de ímãs enrolados helicoidalmente em ambos os lados. Essa disposição gerava um campo que se estendia apenas parcialmente para dentro do plasma, o que provou ter a vantagem significativa de adicionar "cisalhamento", suprimindo a turbulência no plasma. No entanto, à medida que dispositivos maiores foram construídos com base nesse modelo, observou-se que o plasma estava escapando do sistema muito mais rapidamente do que o esperado e muito mais rápido do que poderia ser reposto.

Meados da década de 1960, parecia que a abordagem do stellarator era um beco sem saída. Além dos problemas de perda de combustível, calculou-se também que uma máquina geradora de energia baseada nesse sistema seria enorme, com a maior parte de trezentos metros (1.000 pés) de comprimento. Quando o tokamak foi introduzido em 1968, o interesse pelo stellarator desapareceu, e o projeto mais recente na Universidade de Princeton, o Modelo C, foi eventualmente convertido no Symmetrical Tokamak.

Os stellarators viram um interesse renovado desde a virada do milênio, pois evitam vários problemas posteriormente encontrados no tokamak. Modelos mais novos foram construídos, mas estes permanecem cerca de duas gerações atrás dos projetos de tokamak mais recentes.