Reator de teste de engenharia de fusão da China - China Fusion Engineering Test Reactor

CFETR
Reator de teste de engenharia de fusão da China
Tipo de dispositivo Tokamak
Localização China

O reator de teste de engenharia de fusão chinês ( CFETR ) é um reator de fusão tokamak proposto , que usa um campo magnético para confinar o plasma e gerar energia. Atualmente, os dispositivos tokamak são os principais candidatos para a construção de um reator de fusão termonuclear viável e prático. Esses reatores podem ser usados ​​para gerar energia sustentável , garantindo um baixo impacto ambiental e uma pegada de carbono menor do que as usinas baseadas em combustíveis fósseis.

O CFETR utiliza e pretende se basear na pesquisa de fusão nuclear pré-existente do programa ITER , a fim de abordar as lacunas entre o ITER e a usina termonuclear de próxima geração e classe de reator sucessor do ITER, a Usina de Demonstração (DEMO) .

Atualmente, três reatores domésticos de teste de fusão estão em operação na China. Estes incluem EAST em ASIPP em Hefei , HL-2A (M) no Southwestern Institute of Physics (SWIP) em Chengdu e J-TEXT localizado na Huazhong University of Science and Technology em Wuhan . Além disso, em 2021, em um esforço para simular com mais precisão um CFETR potencialmente funcionalmente operacional, o HL-2A no SWIP foi atualizado para o HL-2M . A construção do HL-2M foi concluída em novembro de 2019, e o dispositivo foi comissionado em 4 de dezembro de 2020.

O projeto conceitual do CFETR, concluído em 2015, é amplamente baseado no projeto desses três reatores de fusão domésticos. A construção do CFETR provavelmente começará na década de 2020, com conclusão prevista para 2030.

Propósitos e objectivos

O CFETR funcionará em duas fases. Na primeira fase, o CFETR deverá demonstrar operação em estado estacionário e autossuficiência de trítio com uma razão de reprodução de trítio> 1. Além disso, na Fase 1, o CFETR deve demonstrar geração de energia de fusão de até 200 MW.

A segunda fase, a fase de validação DEMO , requer que o CFETR gere energia acima de 1 GW. De forma mais geral, o CFETR também servirá como uma ferramenta de pesquisa e desenvolvimento para o teste de vários materiais estruturais e funcionais para identificar ou desenvolver um material com alta resistência ao fluxo de nêutrons .

Projeto

O projeto do CFETR está em andamento e atualmente em sua fase de projeto de engenharia, com previsão de conclusão entre 2020-2021. A primeira fase, que decorreu entre 2010 e 2015, é designada por fase de design de conceito. Isso foi necessário para demonstrar a viabilidade econômica da construção de uma máquina de pequena escala. Além disso, esta etapa forneceu uma prova de conceito para a construção de um reator de fusão de baixo custo e capaz de gerar energia.

A segunda fase do projeto, a fase de projeto de engenharia, começou em 2015. A pesquisa foi direcionada para o projeto de uma máquina de grande escala com o objetivo de alcançar 1 GW de potência de acordo com os requisitos de validação do DEMO. Desde 2017, a pesquisa mudou para simular vários cenários operacionais, pesquisando as nuances de vários projetos experimentais de componentes CFETR individuais, como o vaso a vácuo de tamanho normal e a tecnologia de reprodução de trítio.

A partir de 2021, as descobertas feitas desde as fases conceitual e de engenharia da pesquisa estão sendo consolidadas, integradas e construídas, aproximando o CFETR de um projeto unificado e da construção.

Desafios

Esquema da reação de fusão: Deutério e trítio sofrem reação de fusão para produzir um único nêutron hélio e energia.

Recursos e infraestrutura

Alguns problemas críticos ainda precisam ser resolvidos, incluindo 19 problemas-chave do sistema, como controle de instabilidade vertical com bobinas internas, controle de impurezas, transporte de partículas alfa, prevenção e mitigação de interrupção, controle e prevenção de ELM tipo I, tecnologias para aquecimento de grande porte potência, criação e manuseio de trítio. Além disso, embora as propriedades dos materiais necessários para a construção do CFETR sejam conhecidas, muitos desses materiais ainda precisam ser fabricados e a pesquisa ainda está em andamento para a criação dos materiais necessários.

Além disso, a autossuficiência do CFETR é um dos maiores desafios; no entanto, é necessário superar. Deutério e trítio são as fontes de combustível para o CFETR e, embora o deutério seja naturalmente abundante, as fontes comerciais de trítio são escassas. Embora o trítio possa ser produzido em condições de laboratório usando reatores de água pesada , aceleradores e reatores de água leve , a quantidade atual de trítio sendo produzida internacionalmente é insuficiente para operar reatores de fusão . Como tal, os principais desafios são a criação de um conceito de ciclo de combustível apropriado para a reciclagem e renovação de trítio, bem como a formulação de novos métodos para produzir trítio de maneira econômica e econômica.

Esses desafios são multifacetados e complexos, exigindo cooperação e pesquisa interdisciplinar. Como tal, para lidar com os 19 principais problemas do sistema apresentados pelo CFETR, equipes individuais foram formadas para lidar com cada questão isoladamente. Esta iniciativa é liderada pelo Centro de Pesquisa Abrangente para Tecnologia de Fusão (CRAFT) e sua equipe de 300 cientistas, engenheiros e pesquisadores na China na tentativa de resolver esses problemas críticos, oferecendo soluções práticas, viáveis ​​e econômicas.

Viabilidade econômica

Antes da introdução de fontes de energia renováveis , como a energia solar e eólica , a fusão era anunciada como o futuro da energia limpa e com zero de carbono . No entanto, a introdução, maior aplicação generalizada e utilização de energia renovável alterou drasticamente o panorama energético. Por exemplo, projeta-se que as energias renováveis ​​forneçam 74% da energia global até 2050. Além disso, com a queda dos preços das energias renováveis, a viabilidade econômica da energia de fusão foi colocada em primeiro plano no discurso da economia futura da energia.

Custo nivelado de energia (LCOE) para várias fontes de energia, incluindo energia eólica, solar e nuclear.

Atualmente, os economistas sugerem que a energia de fusão provavelmente não será tão barata quanto a energia renovável . As usinas de fusão, assim como as usinas de fissão , terão grandes custos iniciais e de capital, pois o custo dos materiais, maquinários e infraestrutura necessários para construir essas usinas de fusão provavelmente será exorbitante. Além disso, a operação e a manutenção dessas plantas altamente especializadas também são provavelmente caras. Embora os custos de operação e construção do CFETR não sejam bem conhecidos, um conceito de fusão EU DEMO é projetado para ter um custo nivelado de energia (LCOE) de $ 121 / MWh.

Além disso, os economistas sugerem que a energia de fusão se torna $ 16,5 / MWh mais cara para cada $ 1 bilhão de aumento no preço da tecnologia de fusão. Este alto LCOE é em grande parte resultado dos altos custos de capital incorridos na construção de usinas de fusão.

Em contraste, o LCOE das energias renováveis ​​parece substancialmente mais baixo. Por exemplo, o LCOE da energia solar parece ser de $ 40- $ 46 / MWh, a energia eólica onshore é estimada em 29-56 $ / MWh e a energia eólica offshore é de aproximadamente $ 92 / MWh. Como tal, essas opções econômicas parecem ser as mais viáveis ​​economicamente.

No entanto, isso não significa que a energia de fusão pode carecer de viabilidade econômica completa. Em vez disso, a energia de fusão provavelmente suprirá as lacunas de energia que as energias renováveis ​​não são capazes de preencher. Assim, a energia de fusão provavelmente funcionará em conjunto com as fontes de energia renováveis, em vez de se tornar a principal fonte de energia. Ainda assim, em casos onde a energia renovável pode não estar prontamente disponível, a energia de fusão pode se tornar a fonte dominante de energia e fornecer a carga básica da rede elétrica dentro dessas áreas geográficas específicas.

Segurança

Um ponto de partida potencial pode considerar as seguintes metas de segurança:

  1. Protegendo as comunidades e o meio ambiente dos riscos radiológicos .
  2. Garantir que os protocolos de segurança dos reatores de fusão sejam tão competitivos e abrangentes quanto os dos reatores de fissão.

Essas metas são determinadas usando o princípio dos riscos aceitáveis ​​e podem ser subdivididas em subcategorias, tais como, mas não se limitando a:

  1. Exposição ocupacional à radiação .
  2. Liberação de rotina de materiais radioativos .
  3. Resposta e minimização de acidentes.
  4. Resíduos radioativos .

A segurança nuclear é altamente considerada pelo governo chinês . No entanto, até o momento, nenhuma estrutura abrangente de segurança de fusão nuclear existe na China. Atualmente, os protocolos de segurança seguidos na China são baseados na tecnologia do reator de fissão; estes são delineados na Lei da República Popular da China sobre a prevenção de uma nd Controle da Poluição radioactiva (2003 ), Lei de Segurança Nuclear (2017) e Regulamento de Operação Segura de reactores de investigação (HAF202). Embora estes sejam benéficos no delineamento de considerações gerais de segurança nuclear, eles não são específicos do reator de fusão. Por exemplo, uma fonte de energia de fusão chave, o deutério , não é explicitamente mencionada nestes regulamentos, questionando assim como os resíduos de deutério podem ser tratados e descartados. Além disso, ao contrário dos reatores de fissão, o CFETR não tem um núcleo de reator . Portanto, esses atos legislativos precisam ser atualizados para acomodar o projeto e os mecanismos dos reatores de fusão.

Além disso, embora seja amplamente aceito que a energia de fusão será mais segura do que a fissão devido ao mecanismo de resfriamento de plasma do dispositivo estilo tokamak que resfria o reator e interrompe as reações após perturbações no sistema, a confiança neste mecanismo e ideal por si só não é suficiente . Em vez disso, os parâmetros de perturbação precisam ser adequadamente definidos e identificados para evitar a liberação potencial de materiais radioativos em caso de perturbações ou falha do sistema. Portanto, as medidas de segurança apropriadas precisam ser cuidadosamente consideradas. Além disso, o trítio é um isótopo radioativo limitado . Como tal, a natureza radioativa do trítio pode ser perigosa em casos de liberação acidental hipotética após falha do sistema de confinamento duplo. Assim, sob tais circunstâncias, as áreas ao redor do CFETR terão que ser evacuadas e levará de 32 a 54 anos até que as famílias possam retornar às suas casas originais. No entanto, os engenheiros do CFETR estão projetando o reator de corrente de acordo com um critério de não evacuação. Como tal, os engenheiros técnicos são obrigados a produzir um projeto que proteja contra falha catastrófica do reator de fusão que exigirá evacuação.

Em novembro de 2020, a Agência Internacional de Energia Atômica (IAEA) começou a trabalhar com várias nações para criar padrões de segurança de reatores de fusão para vários projetos de reatores de fusão. Além disso, eles começaram a investigar os regulamentos de dosagem apropriados, bem como como os resíduos radioativos da energia de fusão devem ser gerenciados e descartados de forma adequada.

Produtos residuais

Prevê-se que os danos da radiação de nêutrons nas paredes dos vasos sólidos sejam maiores do que os dos reatores de fissão devido às energias mais altas dos nêutrons. Além disso, este dano em conjunto com grandes volumes de hélio e hidrogênio produzidos dentro da embarcação provavelmente resultará em fadiga infraestrutural, potencialmente danificando a embarcação, bem como transformando a embarcação em metal radioativo e, portanto, lixo radioativo . Além disso, os cientistas postularam que muitos componentes não estruturais se tornarão altamente radioativos .

No entanto, é importante reconhecer que a radioatividade por quilograma de resíduo seria substancialmente menor para o reator de fusão em comparação com o reator de fissão. Embora a natureza da reação de fusão de deutério-trítio seja tal que provavelmente produzirá maiores volumes de resíduos radioativos estruturais e não estruturais, este problema pode ser contornado com a engenharia de ligas de estrutura de baixa ativação, a fim de garantir que esses materiais descartados qualificar como resíduo radioativo de baixo nível . No entanto, com a tecnologia atualmente disponível, o resultado mais provável é a engenharia de ligas estruturais de ativação intermediária. Isso resultará na produção de rejeitos radioativos de nível baixo a intermediário .

No entanto, é importante notar que a radioatividade de tais resíduos tem meia-vida de 12,3 anos e, portanto, persistirá como radioativo por aproximadamente <100 anos, em comparação com os resíduos radioativos de fissão, que permanecem altamente radioativos por aproximadamente 1000 anos. Além disso, os engenheiros responsáveis ​​pelo CFETR pretendem limitar a produção de resíduos radioativos de nível intermediário a baixo, introduzindo sistemas de gerenciamento de resíduos tritiados. Isso tem o duplo efeito de extrair o trítio para ser reciclado de volta na máquina e reduzir a radioatividade dos resíduos produzidos pelo reator de fusão.

Futuro

Em 4 de dezembro de 2020, o HL-2M foi aquecido a aproximadamente 150 milhões de graus Celsius, dez vezes mais quente que o núcleo do sol . A construção e operação bem-sucedidas do HL-2M no SWIP provavelmente proporcionou um impulso para a transição do CFETR para a fase de construção de sua atual fase de projeto de engenharia.

Com a China mudando ativamente para o desenvolvimento de seu setor de energia renovável e sustentável, a construção do CFETR não é uma questão de se isso acontecerá, mas sim de quando. De acordo com o cronograma de fusão atual, o CFETR provavelmente começará sua fase de construção no início de 2020 e um protótipo industrial deverá ser concluído em 2035, com aplicação comercial em larga escala em 2050. Além disso, em 2025, a China deverá alcançar a capacidade para 79 GW de energia nuclear. Para atingir esse objetivo, a construção de instalações nucleares é fortemente enfatizada no 14º plano quinquenal da China (2021-2025), à medida que o país caminha em direção à neutralidade de carbono.

Veja também

Referências