Quando o caminho é mais importante que o objetivo. Quanto ainda temos antes de uma energia termonuclear completa?





Assim era o complexo ITER em construção em fevereiro de 2020. O ITER pode tornar-se a primeira instalação que permitirá obter plasma termonuclear "em combustão" ou autossustentável. Esta instalação em construção abrigará um tokamak termonuclear e seus sistemas de suporte. Foto do arquivo ITER



Habré não ignorou a notíciaque a China lançou um novo tokamak, o HL-2M Tokamak. Esta notícia é especialmente interessante porque refresca a memória da triste construção de longo prazo do nosso século - o futuro reator termonuclear ITER, que está sendo construído pelas forças de toda a Europa no sul da França e deve se tornar o primeiro dispositivo desse tipo que poderia produzir mais energia do que se consome. No entanto, notamos com pesar que tanto o HL-2M quanto o ITER estão tristemente longe de uma usina termonuclear completa.



Não entraremos em detalhes sobre o dispositivo dos tokamaks e o próprio ITER - esses tópicos são considerados abundantemente em todos os tipos de fontes, por exemplo, nas já mencionadas notícias habron. Abaixo do corte, falaremos sobre o caminho que o ITER abre diante de nós (traduzido do latim “iter” significa “caminho”), e por que esse caminho acabou sendo torcido como o oito de um estelar.



Começar



Pode-se dizer que tudo começou na década de 1920, quando Arthur Eddington sugeriu que o sol e as estrelas poderiam queimar através da conversão de hidrogênio em hélio. Essa ideia foi rapidamente adotada por jornalistas e escritores de ficção científica, que acreditavam que aproveitar a energia do Sol não seria difícil e que a água mais comum poderia se tornar a matéria-prima para o combustível de tal reator.



Como você sabe, uma reação termonuclear é fisicamente oposta a uma nuclear. Se, durante uma reação nuclear, um núcleo pesado se divide em mais leves, então, durante uma reação termonuclear, os núcleos leves se fundem em núcleos um tanto mais pesados. A reação nuclear mais famosa é a fissão de um núcleo de urânio:







esta é uma sequência típica que ocorre em um reator nuclear de uma usina nuclear.

As reações termonucleares, por outro lado, ocorrem principalmente com a participação do hélio e do hidrogênio, e levam à formação de isótopos mais pesados ​​a partir dos mais leves. Nas estrelas da sequência principal, a seguinte reação termonuclear é a mais típica: Os







detalhes da fusão termonuclear e as opções de projeto de um reator termonuclear são descritos em um artigo maravilhoso publicado no Habré por Mikhail Svarichevsky em 2013. Lá você também pode ler o veredicto cético do autor, segundo o qual a energia termonuclear de pleno direito é uma questão de um futuro distante. O artigo é realmente ardente:







Por ora, notamos que as dificuldades técnicas que impediram a criação de uma usina termonuclear revelaram-se tão graves que a periodização de seu desenvolvimento é incomparável com o ritmo de desenvolvimento da energia nuclear. Cronologia:



Ficão nuclear



1939 - descoberta (L. Meitner e O. Frisch)

1942 - reator nuclear Enrico Fermi ("Chicago Woodpile") - reação nuclear controlada

1945 - primeiro teste nuclear (Trinity) e bombardeio de Hiroshima e Nagasaki - reação nuclear descontrolada

1956 - primeira usina nuclear (Obninsk)

1986 - o acidente na usina nuclear de Chernobyl



Fusão nuclear



1926 - a hipótese (A. Eddington) foi expressa no artigo "A estrutura interna das estrelas"

1934 - E. Rutherford sintetizou hélio a partir do trítio

1952 - a primeira explosão termonuclear foi realizada na URSS (bomba de hidrogênio, reação não controlada)

1954 - o primeiro tokamak foi construído na URSS

... ...

2025 - O ITER deve ser iniciado.



No entanto, no Boletim da AIEA de 2019, a ideia de criar uma usina de fusão é discutida com bastante seriedade e até mesmo diariamente. São fornecidas três condições que devem ser atendidas em uma usina termonuclear de pleno direito:



  1. Temperaturas muito altas (mais de 100 milhões de graus Celsius)
  2. Densidade suficiente de partículas no plasma (onde ocorre a reação) - o que aumenta a probabilidade de colisões entre as partículas
  3. Confinamento forte o suficiente, evitando possíveis vazamentos de plasma e garantindo uma reação termonuclear estável.


Mais adiante no documento segue uma declaração de que o projeto de maior sucesso de um reator termonuclear no momento é precisamente o tokamak.



Se você ainda não teve tempo para se familiarizar com os links acima e refrescar sua memória sobre a aparência e o funcionamento de um tokamak, examinaremos brevemente esse problema.



Tokamak é uma palavra abreviada que significa "câmara toroidal com bobinas magnéticas". O primeiro tokamak foi construído em 1954 na URSS e o termo foi proposto apenas em 1957. No Ocidente, o interesse pela construção de tokamaks surgiu muito mais tarde, em 1968, depois que um grupo de cientistas britânicos conheceu tal dispositivo no Instituto Kurchatov, que se convenceram de sua eficácia. Portanto, um tokamak é originalmente uma câmara de vácuo toroidal preenchida com uma mistura de deutério e trítio, isótopos pesados ​​de hidrogênio. As paredes do tokamak, é claro, não são capazes de manter o plasma quente dentro, no qual ocorrem as reações termonucleares, portanto, o plasma é mantido na câmara toroidal usando os campos magnéticos mais fortes e, estando lá, tem a forma de um cordão.







O indicador físico mais importante que permite julgar se uma reação termonuclear produzirá mais energia do que o reator consome é o critério de Lawson , que se resume na seguinte formulação:



Para que a fusão termonuclear se torne uma fonte de energia, o produto da densidade das partículas e o tempo de seu confinamento a uma distância extremamente próxima um do outro deve exceder um certo valor.


Atualmente, a reação termonuclear mais favorável do ponto de vista energético é considerada a fusão termonuclear envolvendo dois isótopos de hidrogênio: deutério e trítio. Quando um núcleo de deutério e um núcleo de trítio se fundem, um núcleo de hélio mais um nêutron de alta energia é formado. Se as condições necessárias forem atendidas, a energia liberada, neste caso, é suficiente para futuras reações termonucleares. Além disso, a reação deutério-trítio é o mais conveniente de um ponto de vista prático, uma vez que a barreira de Coulomb é mais facilmente superada durante ela , e essa reação é mantida de maneira mais conveniente em condições criadas artificialmente.



Deve-se notar que, junto com o par deutério-trítio ,mais três variantes de reações termonucleares que poderiam ser potencialmente aplicadas na indústria. Aqui estão eles:



  1. Deutério + deutério (trítio e próton 4,0 MeV),
  2. Deutério + deutério (hélio-3 e nêutron, 3,3 MeV),
  3. Deutério + trítio (hélio-4 e nêutron, 17,6 MeV),
  4. Deutério + hélio-3 (hélio-4 e próton, 18,2 MeV).


Voltaremos à quarta reação, a mais favorável do ponto de vista energético, a seguir.



Um fator importante que limita a base de recursos para energia termonuclear é a necessidade de extrair deutério e produzir trítio. Vamos morar nisso com mais detalhes.



Reprodução de trítio



O deutério é relativamente abundante na natureza e pode ser recuperado em quantidades suficientes da água do mar. O trítio, embora presente na natureza, é muito raro para ser extraído em quantidades úteis. Portanto, terá que ser sintetizado industrialmente. Atualmente, o trítio é extraído do refrigerante de reatores de água pesada ou obtido pelo bombardeio de alvos de lítio em reatores de água leve.



Presume-se que a operação de uma usina termonuclear de 500 megawatts exigirá cerca de 50 quilos de combustível trítio por ano. Esse valor não só supera em muito a capacidade da indústria moderna, que permite produzir cerca de 2 a 3 kg de trítio por ano, mas também não leva em conta o custo de produção, que chegará a bilhões de dólares. Nesse sentido, a energia termonuclear exige o desenvolvimento de um método que possibilite a multiplicação do trítio diretamente na estação. Felizmente, a própria reação termonuclear poderia se tornar esse método.



Envolvendo o tokamak com uma manta de lítio, é possível (com a liberação de calor) obter trítio, quando os núcleos de lítio irão capturar os nêutrons formados durante a fusão e se transformar espontaneamente em trítio. Soluções tecnológicas estão sendo desenvolvidas para coletar o trítio assim formado.



Além disso, uma questão pertinente é: a energia termonuclear é tão ecologicamente correta e energeticamente benéfica? Aqui estão algumas das objeções levantadas no artigo acima mencionado por Mikhail Svarichevsky:



  1. — . D+T , — ~10 , . 5-10 .
  2. Q=10 ( 10 , ). ITER 2030- .
  3. Q=10, , - , . ( -)
  4. Não há muito combustível termonuclear - o trítio é muito caro e escasso. Sua produção não é mais simples nem barata do que a obtenção de plutônio de resíduos de urânio ou U-233 de tório.
  5. Hélio-3 - não ajudaria a humanidade de forma alguma, mesmo que houvesse montanhas na terra. A reação parasitária D + D ainda dará radiação, e a temperatura ótima é de um bilhão de graus, muito mais difícil do que D + T pela qual a humanidade está lutando no momento.


E aqui está o que a IAEA observa sobre a compatibilidade ambiental das usinas termonucleares:



O processo mais simples de fusão termonuclear ocorre com a participação de dois isótopos de hidrogênio: deutério e trítio. O trítio é radioativo, mas sua meia-vida é curta (12,32 anos). É usado apenas em pequenas quantidades e, portanto, não representa o mesmo perigo que os núcleos radioativos de vida longa. Como resultado dessa reação de deutério com trítio, um átomo de hélio (um gás inerte) e um nêutron são formados. A energia desses produtos (átomo e nêutron) pode ser colhida para alimentar um reator e gerar eletricidade, respectivamente. Conseqüentemente, nenhum resíduo radioativo de longa duração permanece de reações termonucleares. Mas o processo de fusão produz materiais ativados por nêutrons que circundam o plasma. Em outras palavras, quando os nêutrons (um produto da reação de fusão) atingem as paredes do reator, o próprio reator e seus componentes se tornam radioativos.Portanto, durante a construção de usinas termonucleares no futuro, será necessário otimizar seu projeto de forma a minimizar essa radioatividade de nêutrons e o volume de rejeitos radioativos gerados como resultado.



Assim, o ITER pode ser considerado não tanto um supertokamak, mas um protótipo de teste de uma central termonuclear, o que permitirá avaliar os desafios tecnológicos e ambientais que a indústria enfrenta. Entre eles: multiplicação de trítio, monitoramento de plasma, diagnósticos avançados, antidesgaste de estruturas. Além disso, resta saber por quanto tempo o vaso do reator é capaz de suportar a exposição ao plasma quente.



Como qualquer tecnologia promissora, a energia termonuclear já está gerando suas próprias "startups". Aqui estão os mais importantes:



  1. TAE Technologies. TAE (, ) 20 « ». TAE - (DT), . , – , DT – , - . FRC (. ).



  2. Commonwealth Fusion Systems (CFS). -, . CFS , , ITER. REBCO , (ITER - ). , , .
  3. General Fusion. , « » (MTF). MTF , - . , , , . .
  4. Energia Tokamak . A empresa, com sede no Reino Unido, pretende lançar a fusão tradicional usando um tokamak, mas usa um tokamak que se assemelha a uma esfera em vez de um donut. Essa unidade se chama ST40 e está em fase de pesquisa. Supõe-se que temperaturas de até 15 milhões de graus Celsius são atingíveis nele.


Como decorre do exposto, no primeiro terço do século XXI, passamos ao estudo de todas essas tecnologias exóticas de fusão termonuclear principalmente por três motivos que complicam o uso industrial dessa energia:



  1. Dificuldade de mineração de trítio.
  2. A complexidade do confinamento estável do plasma magnetizado dentro do reator.
  3. A complexidade do descarte de rejeitos radioativos - devido ao efeito dos nêutrons, o próprio reator se torna radioativo.


Golconda Regolítica



E aqui é a hora de passar para a parte final de nossa excursão: preste atenção ao hélio-3, que participa da quarta das reações termonucleares mais importantes mencionadas acima:



Deutério + hélio-3 (hélio-4 e próton, 18,2 MeV)



O rendimento de energia é visivelmente maior 17,6 MeV gerados pela reação do trítio e, em vez de um nêutron, temos um próton como subproduto, o que resolve amplamente o problema da contaminação radioativa.



O principal problema é que o hélio-3 (o núcleo consiste em dois prótons e um nêutron) é extremamente raro em comparação com o isótopo principal hélio-4 (dois prótons e dois nêutrons): a participação do hélio-3 na Terra é de 0,000137% (1,37 ppm); a principal fonte desse isótopo em nosso planeta é o vento solar.



Mas em 1986, especialistas do Instituto de Tecnologia de Fusão da Universidade de Wisconsin determinaram que o solo lunar, o regolito, poderia conter um milhão de toneladas de hélio-3. A extração do hélio-3 na Lua pode ser um empreendimento comercialmente viável, pois a energia extraída dele é 250 vezes maior do que a necessária para sua extração e entrega à Terra. As reservas lunares de hélio-3 podem ser suficientes para fornecer energia termonuclear por séculos.



Os nêutrons formados durante a fusão deutério-trítio escapam do reator, pois não possuem carga elétrica e, portanto, não podem ser contidos por um campo eletromagnético. Ao contrário, os prótons - um subproduto de uma reação termonuclear com o hélio-3 - têm carga positiva e não é difícil capturá-los. Além disso, você pode usar a energia dos próprios prótons, que irá diretamente para a geração de eletricidade. Nesse caso, não há necessidade de obter vapor d'água para girar a turbina - é segundo esse princípio que a energia é gerada nas modernas usinas nucleares.



Assim, a exploração da lua adquire um valor prático não ilusório. O desenvolvimento de tecnologias de fusão termonuclear, possivelmente inicialmente baseadas na fusão deutério-trítio, pode se tornar uma etapa no caminho para a autossuficiência energética da indústria de mineração de regolito lunar, cujo objetivo é fornecer à Terra combustível termonuclear.



Estamos tão envolvidos com a ficção científica que é hora de encerrar cuidadosamente este post e agradecer a todos que terminaram de lê-lo e estão prontos para discuti-lo.



Embora, como um epílogo, proponho olhar para esteum antigo artigo da revista "Gato de Schrödinger". Não só tem fotos legais, mas também jogou uma ponte do tópico que abordamos aqui para o tópico de terraformação. Nessa indústria do futuro, aparentemente, a fusão também é indispensável.



Até agora, o ITER e todo o caminho descrito estão longe de estar completos. Mas eu gostaria de esperar que a estrada seja dominada pelo andarilho.



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