E a fusão?

Relatos no final do ano passado sobre a construção de um reator para síntese por especialistas chineses pareciam sensacionais (1). A mídia estatal da China informou que a instalação HL-2M, localizada em um centro de pesquisa em Chengdu, estará operacional em 2020. O tom das reportagens da mídia indicava que a questão do acesso à energia inesgotável da fusão termonuclear estava resolvida para sempre.

Um olhar mais atento aos detalhes ajuda a esfriar o otimismo.

Nowy aparelho tipo tokamak, com um design mais avançado do que os conhecidos até agora, deve gerar plasma com temperaturas acima de 200 milhões de graus Celsius. O anúncio foi feito em um comunicado de imprensa do chefe do Instituto de Física do Sudoeste da China National Nuclear Corporation, Duan Xiuru. O dispositivo fornecerá suporte técnico aos chineses que trabalham no projeto Reator Experimental Termonuclear Internacional (ITER)assim como a construção.

Então acho que ainda não é uma revolução energética, embora tenha sido criada pelos chineses. reator KhL-2M até agora pouco se sabe. Não sabemos qual é a saída térmica projetada desse reator ou quais níveis de energia são necessários para executar uma reação de fusão nuclear nele. Não sabemos o mais importante - o reator de fusão chinês é um projeto com balanço de energia positivo ou é apenas outro reator de fusão experimental que permite uma reação de fusão, mas ao mesmo tempo requer mais energia para "ignição" do que o energia que pode ser obtida como resultado de reações.

Esforço internacional

A China, juntamente com a União Europeia, Estados Unidos, Índia, Japão, Coreia do Sul e Rússia, são membros do programa ITER. Este é o mais caro dos atuais projetos internacionais de pesquisa financiados pelos países mencionados acima, custando cerca de US$ 20 bilhões. Foi aberto como resultado da cooperação entre os governos de Mikhail Gorbachev e Ronald Reagan durante a Guerra Fria, e muitos anos depois foi incluído em um tratado assinado por todos esses países em 2006.

2. No canteiro de obras do ITER tokamak

O projeto ITER em Cadarache, no sul da França (2), está desenvolvendo o maior tokamak do mundo, ou seja, uma câmara de plasma que deve ser domada por meio de um poderoso campo magnético gerado por eletroímãs. Esta invenção foi desenvolvida pela União Soviética nos anos 50 e 60. Gestor de projeto, Lavan Koblenz, anunciou que a organização deverá receber o "primeiro plasma" até dezembro de 2025. O ITER deverá apoiar uma reação termonuclear para cerca de 1 mil pessoas de cada vez. segundos, ganhando força 500-1100 MW. Para efeito de comparação, o maior tokamak britânico até hoje, JET (toro comum europeu), retém uma reação por várias dezenas de segundos e ganha força até 16 MW. A energia neste reator será liberada na forma de calor - não deve ser convertida em eletricidade. O fornecimento de energia de fusão à rede está fora de questão, pois o projeto é apenas para fins de pesquisa. Só com base no ITER será construída a futura geração de reactores termonucleares, atingindo a potência 3-4 mil. MW.

A principal razão pela qual as usinas de fusão normal ainda não existem (apesar de mais de sessenta anos de pesquisas extensas e dispendiosas) é a dificuldade de controlar e "gerenciar" o comportamento do plasma. No entanto, anos de experimentação renderam muitas descobertas valiosas, e hoje a energia de fusão parece mais próxima do que nunca.

Adicione hélio-3, mexa e aqueça

O ITER é o foco principal da pesquisa global de fusão, mas muitos centros de pesquisa, empresas e laboratórios militares também estão trabalhando em outros projetos de fusão que se desviam da abordagem clássica.

Por exemplo, realizado nos últimos anos em do Instituto de Tecnologia de Massachusetts experimentos com Elmo-3 no tokamak deu resultados emocionantes, incluindo dez vezes mais energia íon de plasma. Cientistas que realizam experimentos no tokamak C-Mod do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, juntamente com especialistas da Bélgica e do Reino Unido, desenvolveram um novo tipo de combustível termonuclear contendo três tipos de íons. Equipe Alcator C-Mod (3) realizaram um estudo em setembro de 2016, mas os dados desses experimentos foram analisados ​​apenas recentemente, revelando um enorme aumento na energia do plasma. Os resultados foram tão encorajadores que os cientistas que administram o maior laboratório de fusão operacional do mundo, o JET no Reino Unido, decidiram repetir os experimentos. O mesmo aumento de energia foi alcançado. Os resultados do estudo foram publicados na revista Nature Physics.

3. Tokamak Alcator C-Mod em operação

A chave para aumentar a eficiência do combustível nuclear foi a adição de pequenas quantidades de hélio-3, um isótopo estável de hélio, com um nêutron em vez de dois. O combustível nuclear usado no método Alcator C continha anteriormente apenas dois tipos de íons, deutério e hidrogênio. O deutério, um isótopo estável de hidrogênio com um nêutron em seu núcleo (em oposição ao hidrogênio sem nêutrons), compõe cerca de 95% do combustível. Cientistas do Plasma Research Center e do Massachusetts Institute of Technology (PSFC) usaram um processo chamado aquecimento RF. As antenas próximas ao tokamak usam uma frequência de rádio específica para excitar as partículas, e as ondas são calibradas para "direcionar" os íons de hidrogênio. Como o hidrogênio compõe uma pequena fração da densidade total do combustível, concentrar apenas uma pequena fração dos íons no aquecimento permite que níveis extremos de energia sejam alcançados. Além disso, os íons de hidrogênio estimulados passam para os íons de deutério predominantes na mistura, e as partículas assim formadas entram no invólucro externo do reator, liberando calor.

A eficiência desse processo aumenta quando íons de hélio-3 são adicionados à mistura em uma quantidade inferior a 1%. Ao concentrar todo o aquecimento de rádio em uma pequena quantidade de hélio-3, os cientistas aumentaram a energia dos íons para megaelétron-volts (MeV).

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Houve muitos desenvolvimentos no mundo do trabalho de fusão controlada nos últimos anos que reacendeu as esperanças dos cientistas e de todos nós de finalmente alcançar o "Santo Graal" da energia.

Bons sinais incluem, entre outros, descobertas do Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE). As ondas de rádio têm sido usadas com grande sucesso para reduzir significativamente as chamadas perturbações do plasma, que podem ser cruciais no processo de "vestir" as reações termonucleares. A mesma equipe de pesquisa em março de 2019 relatou um experimento tokamak de lítio no qual as paredes internas do reator de teste foram revestidas com lítio, um material bem conhecido de baterias comumente usadas em eletrônicos. Os cientistas observaram que o revestimento de lítio nas paredes do reator absorve partículas de plasma espalhadas, impedindo que sejam refletidas de volta para a nuvem de plasma e interfiram nas reações termonucleares.

4. Projeto de visualização TAE Technologies

Estudiosos de importantes instituições científicas respeitáveis ​​tornaram-se até otimistas cautelosos em seus pronunciamentos. Recentemente, também houve um grande aumento no interesse em técnicas de fusão controlada no setor privado. Em 2018, a Lockheed Martin anunciou um plano para desenvolver um protótipo de reator de fusão compacto (CFR) na próxima década. Se a tecnologia na qual a empresa está trabalhando funcionar, um dispositivo do tamanho de um caminhão poderá fornecer eletricidade suficiente para atender às necessidades de um dispositivo de 100 pés quadrados. moradores da cidade.

Outras empresas e centros de pesquisa estão competindo para ver quem pode construir o primeiro reator de fusão real, incluindo a TAE Technologies e o Massachusetts Institute of Technology. Até mesmo Jeff Bezos, da Amazon, e Bill Gates, da Microsoft, recentemente se envolveram em projetos de fusão. A NBC News recentemente contou dezessete pequenas empresas de fusão apenas nos EUA. Startups como General Fusion ou Commonwealth Fusion Systems estão se concentrando em reatores menores baseados em supercondutores inovadores.

O conceito de "fusão a frio" e alternativas aos grandes reatores, não só tokamaks, mas também os chamados. estreladores, com um design ligeiramente diferente, construído inclusive na Alemanha. A busca por uma abordagem diferente também continua. Um exemplo disso é um dispositivo chamado Z-pinça, construído por cientistas da Universidade de Washington e descrito em uma das últimas edições da revista Physics World. O Z-pinch funciona prendendo e comprimindo o plasma em um poderoso campo magnético. No experimento, foi possível estabilizar o plasma por 16 microssegundos, e a reação de fusão durou cerca de um terço desse tempo. A demonstração deveria mostrar que a síntese em pequena escala é possível, embora muitos cientistas ainda tenham sérias dúvidas sobre isso.

Por sua vez, graças ao apoio do Google e de outros investidores em tecnologia avançada, a empresa californiana TAE Technologies usa um método diferente do típico para experimentos de fusão, mistura de combustível de boro, que foram usados ​​para desenvolver reatores menores e mais baratos, inicialmente para fins do chamado motor foguete de fusão. Um protótipo de reator de fusão cilíndrica (4) com contra-feixes (CBFR), que aquece o gás hidrogênio para formar dois anéis de plasma. Eles se combinam com feixes de partículas inertes e são mantidos em tal estado, o que deve aumentar a energia e a durabilidade do plasma.

Outra startup de fusão, a General Fusion, da província canadense de British Columbia, conta com o apoio do próprio Jeff Bezos. Simplificando, seu conceito é injetar plasma quente em uma bola de metal líquido (uma mistura de lítio e chumbo) dentro de uma bola de aço, após o que o plasma é comprimido por pistões, semelhante a um motor a diesel. A pressão criada deve levar à fusão, que liberará uma enorme quantidade de energia para alimentar as turbinas de um novo tipo de usina. Mike Delage, diretor de tecnologia da General Fusion, diz que a fusão nuclear comercial pode estrear em dez anos.

5. Ilustração de uma patente termonuclear da Marinha dos EUA.

Recentemente, a Marinha dos EUA também registrou uma patente para um "dispositivo de fusão de plasma". A patente fala sobre campos magnéticos para criar "vibração acelerada" (5). A ideia é construir reatores de fusão pequenos o suficiente para serem portáteis. Escusado será dizer que este pedido de patente foi recebido com ceticismo.