Como domar a fusão termonuclear e por que precisamos dela?





Já escrevemos sobre idéias e desenvolvimentos inesperados e notáveis ​​no campo da obtenção de energia a partir da fissão nuclear. E também sobre o que fazer quando algo der errado com os reatores nucleares. Como sabemos, liberdade é melhor do que não-liberdade, e síntese é melhor do que decadência. Isso é exatamente o que os cientistas pensaram cem anos atrás, quando deram os primeiros passos para domar a fusão termonuclear. Neste artigo, descreveremos brevemente o que é a fusão termonuclear, em que estágio estão os avanços científicos e quando vale a pena esperar a introdução de um novo método de produção de energia. Afinal, é exatamente por isso que a humanidade precisa dele.



Olhando para o Sol: a história da descoberta da fusão termonuclear



Com o desenvolvimento da ciência, a humanidade começou a se perguntar como o Sol funciona, por que ele não se apaga e continua emitindo calor e luz. Ainda nos anos 20 do século passado - quase cem anos atrás - o cientista britânico Arthur Stanley Eddington surgiu com as ideias do ciclo próton-próton, ou seja, um conjunto de reações termonucleares durante as quais o hidrogênio nas estrelas se transforma em hélio. E essa reação é acompanhada pela liberação de quantidades colossais de energia, que podem ser facilmente sentidas simplesmente saindo em um dia ensolarado.



Um pouco mais tarde, já na década de trinta, cientistas da Universidade de Cambridge, liderados pelo australiano Mark Olyphant, como resultado de uma série de experimentos, descobriram núcleons (nome comum dos prótons e nêutrons que compõem o núcleo atômico) do hélio-3 e do trítio, que participam dessas reações, e de sua contraparte alemã, Hans Bethe, recebeu o Prêmio Nobel de Física por suas contribuições à teoria das reações nucleares e, principalmente, por suas descobertas sobre as fontes de energia nas estrelas. Já em 1946, Sir George Padget Thomson e Moses Blackman descreveram e patentearam a ideia do Z-pinch, ou seja, um sistema de confinamento de plasma usando um campo magnético ou "armadilha magnética", que serviu de base para novos experimentos para criar os primeiros dispositivos de fusão termonuclear controlada.





Armadilha magnética de laboratório, foto: Sandpiper / Wikimedia Commons



Poder infinito: vantagens, desvantagens e obstáculos para a implementação



Vamos passar da história à teoria geral. A fusão termonuclear controlada é o processo de obtenção de núcleos atômicos mais pesados ​​de outros mais leves com o objetivo (em teoria) de usar a energia liberada para gerar eletricidade. Em essência, é o oposto da reação de fissão usada na energia nuclear tradicional. Basicamente, deutério e trítio são usados ​​para a reação de fusão termonuclear (a chamada reação DT), embora variantes com deutério e hélio-3 também sejam possíveis, entre os núcleos de deutério (DD) e outras combinações de isótopos.



Por si só, os núcleos atômicos não interagem muito prontamente por causa da "barreira de Coulomb", ou seja, as forças de repulsão eletrostática entre eles. Para superá-lo e iniciar uma reação em condições terrestres, a substância deve ser aquecida a uma temperatura suficientemente alta, e neste caso estamos falando de centenas de milhões de graus. É desse processo que a fusão termonuclear ganhou seu nome. A combinação de deutério e trítio, neste caso, requer uma temperatura "mínima" para o início da reação (os mesmos 100 milhões de graus), por isso é mais utilizada em instalações experimentais.





Reação de fusão DT. Fonte: Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation



Além disso, no curso da reação, um grande número de nêutrons aparece, mas falaremos sobre o seu significado um pouco a seguir, e primeiro tentaremos explicar por que a aplicação comercial desse processo tem geralmente animado as mentes da humanidade nos últimos 70 anos. Portanto, as vantagens da fusão termonuclear controlada:



  1. Disponibilidade comparativa de isótopos para a reação. O deutério pode ser facilmente obtido da água do mar, cujas reservas são mais do que suficientes na Terra. O trítio não ocorre na natureza, pois tem meia-vida de apenas 12,3 anos, mas é obtido a partir do lítio-6 e da água pesada de reatores nucleares, que não estamos dispostos a abandonar nos próximos anos.
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Além disso, durante a fusão termonuclear, não são liberadas substâncias que possam posteriormente ser usadas para fazer armas "sujas".





Tokamak JET, foto: EFDA JET / Wikimedia Commons



Mas por que, então, o próprio princípio da fusão termonuclear controlada, desenvolvido em meados do século passado, ainda não foi implementado na prática ou implementado apenas como instalações experimentais que ainda não começaram a produzir eletricidade? Vejamos as desvantagens e limitações desse processo.



Vamos voltar aos nossos nêutrons primeiro. Durante a reação com o uso do DT, forma-se um fluxo de nêutrons que bombardeia as paredes de contenção do reator. Como resultado, estamos lidando com a chamada radiação "induzida", que dificulta muito a manutenção dos equipamentos e, muito possivelmente, levará à necessidade de sua reposição periódica, pois com o tempo, a partir do bombardeio de nêutrons, os materiais tornam-se não apenas radioativos, mas também frágeis. Para resolver esse problema, propõe-se o uso de materiais insensíveis à radiação, que durarão mais, mas seu uso aumentará os já colossais custos de construção de usinas de fusão termonuclear. O uso de outras substâncias ativas também é considerado a fim de obter reações "livres de nêutrons",mas já discutimos os requisitos de densidade e temperatura de reação para eles acima.



Mesmo no nível atual de desenvolvimento de tecnologia, cientistas e engenheiros não podem garantir que o consumo de energia para aquecer e trazer a substância no reator para um estado de plasma, e então mantê-la neste estado, apesar da perda constante de calor (bem como para resfriar o sistema, funcione eletroímãs e outros subsistemas), caiu abaixo da quantidade de energia liberada durante a reação. Por exemplo, o tokamak JET britânico atingiu uma razão entre a energia de entrada e saída de apenas 67%, ou seja, 0,67 Q. Q é um indicador que expressa a razão das quantidades de energia gasta e recebida em tal sistema, e de modo que a reação de fusão é considerada autossustentável , deve ser igual a pelo menos 5 e muito maior para gerar energia útil. Hoje, não existem reatores com esse valor no mundo.



A questão final, é claro, é o retorno e o custo. Para conseguir uma imitação precisa das reações dentro do Sol, não é suficiente apenas tomar trítio e deutério e trazer uma correspondência condicional a eles. Um reator de fusão termonuclear é um projeto incrivelmente complexo, volumoso e caro, que tem lugar para um enorme sistema de resfriamento, um grande número de eletroímãs de vários tipos e até mesmo suas próprias usinas de energia.



Estima-se que os custos de construção do tokamak experimental ITER (veja abaixo), que ainda não foi concluído, podem ultrapassar US $ 20 bilhões. Ao mesmo tempo, o reator geralmente não é projetado para gerar eletricidade, ou seja, o único lucro com o funcionamento do ITER será a experiência do trabalho conjunto de cientistas e dados experimentais.



Magia prática: os principais tipos de construção e marcos de seu desenvolvimento



Convencionalmente, as instalações para fusão termonuclear controlada podem ser divididas em quatro tipos: tokamaks, stellarators, armadilhas de espelho e sistemas de pulso. Usando seu exemplo, propomos considerar tanto o desenvolvimento de ideias que no futuro podem levar à produção de eletricidade usando a fusão termonuclear, quanto ramos "sem saída", que, por uma razão ou outra, nos próximos anos (ou nunca) não irão além do quadro de teoria e experimentos. ...



TokamakÉ uma abreviatura de "câmara toroidal com bobinas magnéticas", cuja câmara é o elemento principal do reator, que serve para confinar o plasma. Nesse caso, bobinas magnéticas enroladas ao redor da câmara do reator são usadas para criar um campo especial que evita que o plasma entre em contato com suas paredes, que os materiais isolantes de calor modernos simplesmente não poderiam suportar. Ao mesmo tempo, uma corrente também passa pelo próprio plasma, que serve tanto para aquecê-lo quanto para criar um campo magnético poloidal. Nas condições modernas, esse campo não pode existir por mais de alguns segundos e, sem ele, o plasma perde sua estabilidade, portanto, é muito cedo para falar sobre o uso de tokamaks para a produção contínua de eletricidade.embora seja possível manter a corrente por mais tempo usando radiação de microondas ou a introdução de átomos neutros de deutério / trítio no plasma.





Tokamak KSTAR, Coreia do Sul, foto: Michel Maccagnan / Wikimedia Commons As



ideias de Tokamak foram descritas pela primeira vez na União Soviética na década de 50 do século passado, e o primeiro desses reatores foi construído no Instituto Kurchatov em 1954. Por muito tempo, os tokamaks permaneceram um desenvolvimento puramente soviético, mas na década de 1970 os cientistas britânicos confirmaram os resultados recordes de aquecimento de plasma obtidos no tokamak soviético T-3 e se interessaram pela tecnologia em todo o mundo.



Hoje os tokamaks são considerados o desenvolvimento mais promissor, e seu número no mundo ultrapassa o número de outros tipos de instalações. Entre as conquistas nessa área, vale destacar o chinês EAST (Experimental Advanced Superconductor Tokamak, construído com o apoio da Federação Russa), que atingiu uma temperatura de plasma de 100 milhões de graus em 2018, o European JET (Joint European Toru), que está localizado no Reino Unido e é considerado o maior tokamak do mundo, bem como o ITER já mencionado acima, sobre o qual nos deteremos com mais detalhes.





Circuito de tokamak ITER. Fonte: Oak Ridge National Laboratory - ITER Tokamak and Plant Systems (2016) / Wikimedia Commons



A ideia de construir um ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, reator termonuclear experimental internacional) foi discutida em 1985, em uma reunião entre Ronald Reagan e Mikhail Gorbachev, mas a construção real começou apenas em 2010. Muitos países estão envolvidos no trabalho do reator, incluindo Japão, países da UE, Rússia, EUA, Coréia do Sul, China e Índia. O resultado do projeto conjunto será uma estrutura gigante de 23.000 toneladas, que deslocará o JET do pedestal do maior tokamak do planeta e poderá, teoricamente, elevar o valor Q para 30.embora os criadores do ITER não tenham como objetivo atingir a geração de eletricidade - a tarefa do tokamak é finalmente provar a própria possibilidade de usar a fusão termonuclear nesta área e abrir o "caminho" (é assim que o nome abreviado do reator é traduzido do latim) para DEMO, o primeiro tokamak com um saldo "positivo", que não começará até meados do século 21.



No projeto ITER, o Japão coube ao desenvolvimento e produção de um dos elementos mais importantes - bobinas supercondutoras, que são necessárias para formar um campo magnético ao redor da câmara do reator. Especificamente, a Toshiba está desenvolvendo uma bobina de campo toroidal gigante de 16,5 metros que pesa cerca de 300 toneladas. Ao mesmo tempo, é necessário observar tolerâncias dimensionais extremamente rígidas para cada parte - apenas alguns milímetros - para que as tecnologias e métodos inventados durante o trabalho nos tokamaks experimentais japoneses, JT-60 e JT-60SA, sejam de grande ajuda.



Stellarators(de lat. stella - "estrela") recebeu esse nome por causa da similaridade dos processos no reator com aqueles que ocorrem dentro das estrelas. O primeiro protótipo foi construído em 1951 nos Estados Unidos sob a liderança de seu inventor, Lyman Spitzer. A principal diferença entre stellarators e tokamaks está no design da armadilha magnética: nos stellarators, apenas bobinas externas são usadas para confinar o plasma na câmara, o que cria linhas de força girando ao redor da câmara. Este projeto teoricamente permite o uso de uma armadilha magnética em modo contínuo. Em stellarators, como em tokamaks, uma mistura de deutério e trítio é quase sempre usada, que é introduzida no recipiente de vácuo da câmara. Os projetos modernos abandonaram a câmara em forma de toro em favor de modelos complexos criados com simulações de computador.Seu objetivo é maximizar a eficiência de contenção de plasma.





Wendelstein 7-X. : Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Tino Schulz / Wikimedia Commons



Apesar da possibilidade de exposição contínua ao plasma e do design modificado da câmara, os stellarators não são tão difundidos quanto os tokamaks. Isso se deve principalmente à maior complexidade do projeto e à sua menor eficiência nas condições modernas. O Wendelstein 7-X, construído em Greifswald na Alemanha em 2015, tornou-se o maior stellarator do mundo e uma espécie de "epitáfio" para esse desenvolvimento. Pelos cálculos dos cientistas, ele teve que trazer o tempo de exposição contínua dos eletroímãs ao plasma para 30 minutos, a fim de demonstrar a possibilidade do uso de estelares para geração de eletricidade a longo prazo. Ao mesmo tempo, em 2018, durante o experimento, a temperatura do plasma foi elevada apenas para 40.000 graus Celsius, e o tempo de operação foi trazido para 100 segundos. Os próximos testes estão programados para 2021.



- Este tipo de usina de fusão termonuclear controlada permanece em grande parte um desenvolvimento teórico. Mesmo o acadêmico Andrei Sakharov em 1960 provou que a fusão termonuclear é possível sem o uso de armadilhas magnéticas, propondo o oposto da abordagem clássica. Nesse caso, não estamos falando de um plasma super-rarefeito, que é mantido no lugar por campos eletromagnéticos por muito tempo, mas de sua versão superdensa (e de vida extremamente curta). Propõe-se a detonação de "alvos" em miniatura com uma composição de TD congelado em sistemas pulsados ​​usando lasers potentes ou feixes de radiação para obter uma espécie de análogo das explosões de combustível em motores a gasolina, apenas ao nível das reações termonucleares. Tal sistema com explosões periódicas pode fornecer uma cadeia quase contínua de reações termonucleares que geram energia,enquanto (em teoria) sem danificar a carcaça do reator.





NIF/ : Lawrence Livermore National Laboratory, Lawrence Livermore National Security, LLC, and the Department of Energy — National Ignition Facility / Wikimedia Commons



Entre os desenvolvimentos existentes nesta área, vale citar o projeto MagLIF e o NIF (National Ignition Facility, ou National Complex for Laser Thermonuclear Reactions) do Laboratório Nacional Lawrence Livermore na Califórnia. Apesar do potencial contínuo dessa ideia, o governo dos EUA planejou encerrar o financiamento do programa em 2012 devido aos escassos resultados práticos. A partir de hoje, os experimentos continuam, mas a complexidade dos próprios "alvos" e a necessidade de entrega regular deles à câmara, em que ocorre uma explosão equivalente a uma tonelada de TNT, deixam esse tipo de instalação muito atrás de tokamaks e stellarators em termos de praticidade.



Armadilhas de espelho- O primeiro experimento usando armadilhas magnéticas "abertas" foi realizado em 1955 no mesmo Laboratório Nacional Lawrence Livermore. A ideia por trás das armadilhas era usar não um toro fechado, mas um vaso magnético alongado, aberto em duas extremidades opostas. Nesse caso, o "novo" plasma precisava se aquecer até a temperatura desejada, liberar energia e sair pelos orifícios laterais (ou ser devolvido pelo campo magnético, como em espelhos - daí o nome). Graças a essa forma e mecanismo, seu custo era muito mais baixo do que os designs concorrentes, então por um tempo as armadilhas para espelhos pareciam ser um desenvolvimento extremamente promissor. Mas, ao longo do tempo, os experimentadores enfrentaram instabilidade do plasma, mal compreendida no momento do início do desenvolvimento,o que gerou problemas e a impossibilidade de atingir as temperaturas exigidas para a fusão termonuclear. Posteriormente, o design foi alterado várias vezes, mas a ambiciosa instalação americana do MFTF, por exemplo, foi fechada antes mesmo do início dos testes, uma vez que os tokamaks eram, em última análise, mais simples, mais poderosos e mais baratos.



Dos desenvolvimentos interessantes deste tipo, vale a pena notar a GDL russa (armadilha gasosa dinâmica) de Novosibirsk, que está sendo criada com base no projeto soviético dos anos 50, a "armadilha aberta" "célula-espelho de Budker". A partir de 2018, os cientistas do Instituto Novosibirsk de Física Nuclear do SB RAS conseguiram atingir a temperatura de 10 milhões de graus e em 2020 receberam uma bolsa do Ministério da Educação e Ciência da Federação Russa para a compra de novos equipamentos para a continuidade dos experimentos.



Belo amanhã: em vez de conclusões



Entre os cientistas que lidam com os problemas da fusão termonuclear, há uma piada que diz que “faltam apenas 30 anos para o sucesso da pesquisa e o início do uso comercial dos reatores, e eles respondem assim há mais de uma dezena de anos (estabilidade!). No entanto, as tecnologias continuarão a se desenvolver, e a humanidade buscará maneiras de "domar" a fusão termonuclear e criar um Sol artificial em miniatura que suprirá nossas necessidades de eletricidade sem o risco de repetir o desastre de Chernobyl e sem danos permanentes à ecologia do planeta. Esta pesquisa pode ser diretamente influenciada por desenvolvimentos como o ITER, e estamos muito satisfeitos com o envolvimento direto do Japão e da Toshiba. E o que vai acontecer a seguir ... veremos em 30 anos.



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