A fusão nuclear promete um suprimento verde e infinitamente renovável de energia – se pudermos aproveitá -lo. A fusão acontece o tempo todo dentro do sol. Mas, para recriar o processo na Terra, devemos controlar a matéria incrivelmente quente e caótica em um estado extremamente denso.
Protótipos de vários projetos diferentes de reator de fusão estão sendo testados em todo o mundo. A Facilidade Nacional de Ignição (NIF) no Laboratório Nacional Lawrence Livermore, na Califórnia, por exemplo, usa lasers para despertar fusão em um pequeno pellet de combustível. Tokamaks, como o reator experimental termonuclear internacional (ITER) na França, usam campos eletromagnéticos para limitar o plasma e aquecê -lo às temperaturas e densidades necessárias para acender a fusão. E estelares, como o experimento Wendelstein 7-X na Alemanha, adicionam uma reviravolta ao conceito de campo magnético de tokamaks.
É muito cedo para dizer se alguma dessas tecnologias pode superar seus desafios para se tornar uma fonte de energia confiável. Mas a motivação para fazer isso acontecer é clara. “A necessidade é a mãe da invenção”, diz Laura Berzak Hopkins, diretora do Laboratório Associado do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia. “Temos demandas crescentes de energia e um clima em mudança, e a fusão é a maneira como podemos atender a ambas as necessidades”.
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O que é fusão?
A fusão nuclear é o processo pelo qual dois átomos se combinam para formar um átomo maior (menos um pouco de massa) mais energia.
Para alcançar a fusão sustentada, os átomos devem atingir uma certa temperatura e densidade e devem permanecer nesses estados por um longo período. Existem três maneiras gerais de atender a essas condições.
O objetivo é obter mais energia sustentada do sistema do que entra.
Experimentos em 2022 no NIF – o mais famoso confinamento inercial Instalação – Prova à prova de conceito. O projeto lançou mais energia de fusão do que seus lasers usados para criar a reação, mas cobrar os lasers incorreu em um custo de energia.
Experimentos recentes usando confinamento magnético também demonstraram progresso. Dois conceitos diferentes – um estelar e um tokamak – têm um plasma superaquecido nas temperaturas e densidades certas por quase um minuto, alcançando novos registros. Por que isso é significativo? Contender o combustível para tempos sustentados é um enorme desafio. Para entender o porquê, vamos mergulhar em um exemplo.
Confinamento magnético
Os reatores de tokamak-como o enorme projeto ITER, que ainda está em construção-usam um recipiente em forma de massa. Aqui está como eles funcionam:
1 • Remova todo o gás da câmara de vácuo e carregue o sistema magnético ao redor do navio.
2 • Injete uma pequena quantidade de deutério e gás de trítio no vácuo.
3 • Ligue a bobina de fio chamada solenóide no centro do tokamak para iniciar o campo magnético que manterá o gás contido. Execute uma poderosa corrente elétrica através do navio. Esse corrente retira os elétrons das partículas de gás, que colidem com outras partículas para iniciar mais elétrons. Os átomos se tornam um gás ionizado chamado plasma, no qual partículas carregadas seguem linhas de campo magnéticas.
4 • Aqueça o plasma a temperaturas termonucleares (150 milhões de graus Celsius) injetando radiação eletromagnética e feixes de átomos neutros de alta energia.
5 • À medida que a temperatura aumenta, a densidade e a energia no plasma aumentam, fazendo com que as partículas colidam e iniciem a fusão. Parte da energia liberada de cada reação é usada para aquecer o combustível adicional de entrada, perpetuando a fusão. O objetivo é transferir a maior parte do calor do reator e usá -lo para gerar eletricidade via, por exemplo, turbinas a vapor.
Qual é o problema?
O processo parece direto. Então, por que é tão difícil?
Quando deixado por conta própria, o plasma é turbulento, com bolsões de variações de temperatura que criam correntes de convecção. Essa turbulência também move o calor do núcleo plasmático para a borda, amortecendo as reações de fusão.
Os cientistas querem incentivar colisões entre partículas no plasma para promover a fusão, mas também precisam evitar colisões de partículas com o próprio hardware do reator. Campos magnéticos poderosos dirigem o plasma ao redor da rosquinha em um caminho aproximadamente circular.
Mas um olhar mais atento revela que as trajetórias de partículas não são tão simples. Diferentes formas de plasma têm benefícios e desvantagens na maximização da temperatura e da densidade. Dentro do plasma suspenso dentro de um tokamak, as partículas se movem em dois padrões gerais: movimento helicoidal (chamado movimento de giroscópio de íons) e um caminho em forma de banana.
Diferentes formas e tamanhos do reator resultam em diferentes trajetórias plasmáticas e têm diferentes prós e contras.
Todos os tokamaks limitam o plasma usando uma corrente elétrica central que pode dificultar a manutenção das reações de fusão. Tokamaks tradicionais em forma de massa Tenha mais espaço no meio. Este espaço faz com que o espaço para proteger um eletroímã central do calor do plasma.
Tokamaks esféricos-Como atualização do Torus Esférico Nacional do PPPL-é de áreas centrais mais estreitas do que os tokamaks tradicionais. Eles são mais compactos, podem limitar com mais eficiência partículas de plasma e podem ser mais econômicas de construir. Mas a área central menor requer um eletroímã central mais magro que possa dificultar a geração da corrente de plasma.
Estelaresque tomam uma forma torcida, não requerem uma corrente central para manter as trajetórias plasmáticas sob controle. Ímãs ao longo da parede do túnel sinuoso fazem o truque. Mas acordar a temperatura pode ser complicado.
Como nossas demandas de energia são altas e aumentando, é provável que haja espaço para que vários modelos tenham sucesso. “Estou confiante de que precisamos de fusão”, diz Berzak Hopkins, do PPPPL, “o que me deixa muito confiante de que resolveremos a fusão”.