Fusão de confinamento magnético - Magnetic confinement fusion
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A fusão por confinamento magnético é uma abordagem para gerar energia de fusão termonuclear que usa campos magnéticos para confinar o combustível de fusão na forma de um plasma . O confinamento magnético é um dos dois ramos principais da pesquisa de energia de fusão , junto com a fusão por confinamento inercial . A abordagem magnética começou na década de 1940 e absorveu a maior parte do desenvolvimento subsequente.
As reações de fusão combinam núcleos atômicos leves , como o hidrogênio, para formar os mais pesados, como o hélio , produzindo energia. Para superar a repulsão eletrostática entre os núcleos, eles devem ter uma temperatura de dezenas de milhões de graus, criando um plasma . Além disso, o plasma deve ser contido em uma densidade suficiente por um tempo suficiente, conforme especificado pelo critério de Lawson (produto triplo).
A fusão por confinamento magnético tenta usar a condutividade elétrica do plasma para contê-lo por meio da interação com campos magnéticos. A pressão magnética compensa a pressão do plasma. O desenvolvimento de um arranjo adequado de campos que contenham o combustível sem turbulência excessiva ou vazamento é o principal desafio desta tecnologia.
História
O desenvolvimento da energia de fusão magnética (MFE) veio em três fases distintas. Na década de 1950, acreditava-se que o MFE seria relativamente fácil de conseguir, dando início a uma corrida para construir uma máquina adequada. No final da década de 1950, estava claro que a turbulência e as instabilidades do plasma eram problemáticas e, durante a década de 1960, "o marasmo", os esforços se voltaram para um melhor entendimento da física do plasma.
Em 1968, uma equipe soviética inventou o dispositivo de confinamento magnético tokamak , que demonstrou desempenho dez vezes melhor do que as alternativas e se tornou a abordagem preferida.
A construção de uma usina de fusão para geração de energia de 500 MW usando este projeto, o ITER , começou na França em 2007. Seu cronograma mais recente é para que comece a operar em 2025.
Plasma
Quando o combustível é injetado em um reator de fusão, poderosas ondas "perigosas" podem ser criadas e podem fazer com que ele escape do confinamento. Essas ondas podem reduzir a eficiência ou mesmo interromper a reação de fusão. Modelos matemáticos podem determinar a probabilidade de uma onda perigosa e podem ser usados para calcular o ângulo exato de uma contra-onda para cancelá-la.
As ilhas magnéticas são anomalias onde as linhas do campo magnético se separam do resto do campo e formam um tubo, permitindo que o combustível escape. A presença de grandes ilhas magnéticas atrapalha a fusão. Injetar pelotas congeladas de deutério na mistura de combustível pode causar turbulência suficiente para perturbar as ilhas.
Tipos
Espelhos magnéticos
Uma área importante de pesquisa nos primeiros anos da pesquisa de energia de fusão foi o espelho magnético . A maioria dos primeiros dispositivos de espelho tentou confinar o plasma perto do foco de um campo magnético não-plano gerado em um solenóide com a intensidade do campo aumentada em cada extremidade do tubo. Para escapar da área de confinamento, os núcleos tinham que entrar em uma pequena área anular perto de cada ímã. Era sabido que os núcleos escapariam por esta área, mas ao adicionar e aquecer o combustível continuamente, sentiu-se que isso poderia ser superado.
Em 1954, Edward Teller deu uma palestra na qual descreveu um problema teórico que sugeria que o plasma também escaparia rapidamente pelos campos de confinamento. Isso ocorreria em qualquer máquina com campos magnéticos convexos, que existissem no centro da área do espelho. As máquinas existentes estavam tendo outros problemas e não era óbvio se isso estava ocorrendo. Em 1961, uma equipe soviética demonstrou conclusivamente que a instabilidade da flauta estava de fato ocorrendo, e quando uma equipe americana afirmou que não estava vendo esse problema, os soviéticos examinaram seu experimento e notaram que isso se devia a um simples erro de instrumentação.
A equipe soviética também apresentou uma solução potencial, na forma de "barras Ioffe". Eles dobraram o plasma em uma nova forma que era côncava em todos os pontos, evitando o problema que Teller havia apontado. Isso demonstrou uma clara melhora no confinamento. Uma equipe do Reino Unido introduziu então um arranjo mais simples desses ímãs, que chamou de "bola de tênis", que foi adotado nos Estados Unidos como "beisebol". Várias máquinas da série de beisebol foram testadas e apresentaram desempenho muito aprimorado. No entanto, cálculos teóricos mostraram que a quantidade máxima de energia que eles poderiam produzir seria aproximadamente a mesma que a energia necessária para mover os ímãs. Como máquina de produção de energia, o espelho parecia um beco sem saída.
Na década de 1970, uma solução foi desenvolvida. Ao colocar uma bobina de beisebol em cada extremidade de um grande solenóide, todo o conjunto poderia conter um volume muito maior de plasma e, assim, produzir mais energia. Os planos começaram a construir um grande dispositivo com este design de "espelho tandem", que se tornou o Mirror Fusion Test Facility (MFTF). Como nunca experimentei esse layout antes, uma máquina menor, o Tandem Mirror Experiment (TMX), foi construída para testar esse layout. O TMX demonstrou uma nova série de problemas que sugeriam que o MFTF não alcançaria seus objetivos de desempenho e, durante a construção, o MFTF foi modificado para MFTF-B. No entanto, devido a cortes no orçamento, um dia após a conclusão da construção do MFTF, ele foi desativado. Os espelhos tiveram pouco desenvolvimento desde aquela época.
Máquinas toroidais
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Z-pinch
O primeiro esforço real para construir um reator de fusão de controle usou o efeito de aperto em um recipiente toroidal. Um grande transformador envolvendo o recipiente foi usado para induzir uma corrente no plasma interno. Essa corrente cria um campo magnético que comprime o plasma em um fino anel, "beliscando"-o. A combinação de aquecimento Joule pela corrente e aquecimento adiabático à medida que pressiona aumenta a temperatura do plasma para a faixa necessária em dezenas de milhões de graus Kelvin.
Construídas pela primeira vez no Reino Unido em 1948, e seguidas por uma série de máquinas cada vez maiores e poderosas no Reino Unido e nos Estados Unidos, todas as primeiras máquinas se mostraram sujeitas a poderosas instabilidades no plasma. Notável entre eles foi a instabilidade da torção , que fez com que o anel preso se agitasse e atingisse as paredes do contêiner muito antes de atingir as temperaturas exigidas. O conceito era tão simples, no entanto, que um esforço hercúleo foi despendido para resolver esses problemas.
Isso levou ao conceito de "pinça estabilizada", que acrescentou ímãs externos para "dar ao plasma uma espinha dorsal" enquanto ele se comprimia. A maior dessas máquinas foi o reator ZETA do Reino Unido , concluído em 1957, que parecia produzir a fusão com sucesso. Poucos meses depois de seu anúncio público em janeiro de 1958, essas alegações tiveram que ser retiradas quando foi descoberto que os nêutrons sendo vistos foram criados por novas instabilidades na massa do plasma. Estudos posteriores mostraram que qualquer projeto desse tipo estaria cercado de problemas semelhantes, e as pesquisas usando a abordagem z-pinch foram praticamente encerradas.
Stellarators
Uma das primeiras tentativas de construir um sistema de confinamento magnético foi o stellarator , introduzido por Lyman Spitzer em 1951. Essencialmente, o stellarator consiste em um toro que foi cortado ao meio e depois anexado de volta com seções retas "cruzadas" para formar uma figura 8 . Isso tem o efeito de propagar os núcleos de dentro para fora à medida que orbita o dispositivo, cancelando assim a deriva ao longo do eixo, pelo menos se os núcleos orbitam rápido o suficiente.
Não muito depois da construção das primeiras máquinas em forma de 8, notou-se que o mesmo efeito podia ser obtido em um arranjo completamente circular, adicionando um segundo conjunto de ímãs enrolados em espiral em cada lado. Este arranjo gerou um campo que se estendeu apenas em parte no plasma, o que provou ter a vantagem significativa de adicionar "cisalhamento", que suprimia a turbulência no plasma. No entanto, como dispositivos maiores foram construídos neste modelo, foi visto que o plasma estava escapando do sistema muito mais rapidamente do que o esperado, muito mais rapidamente do que poderia ser substituído.
Em meados da década de 1960, parecia que a abordagem estelar era um beco sem saída. Além dos problemas de perda de combustível, também foi calculado que uma máquina produtora de energia baseada nesse sistema seria enorme, com quase 300 metros de comprimento. Quando o tokamak foi introduzido em 1968, o interesse pelo stellarator desapareceu e o projeto mais recente da Universidade de Princeton , o Modelo C, foi eventualmente convertido no Tokamak Simétrico .
Os estelares têm visto um interesse renovado desde a virada do milênio, pois evitam vários problemas subsequentemente encontrados no tokamak. Modelos mais novos foram construídos, mas permanecem cerca de duas gerações atrás dos designs de tokamak mais recentes.
Tokamaks
No final da década de 1950, pesquisadores soviéticos notaram que a instabilidade da dobra seria fortemente suprimida se as curvas no caminho fossem fortes o suficiente para que uma partícula viajasse ao redor da circunferência do interior da câmara mais rapidamente do que ao redor do comprimento da câmara. Isso exigiria que a corrente de aperto fosse reduzida e os ímãs externos de estabilização fossem muito mais fortes.
Em 1968, a pesquisa russa sobre o tokamak toroidal foi apresentada pela primeira vez em público, com resultados que superaram em muito os esforços existentes de qualquer projeto concorrente, magnético ou não. Desde então, a maior parte do esforço em confinamento magnético tem sido baseado no princípio tokamak. No tokamak, uma corrente é periodicamente conduzida através do próprio plasma, criando um campo "ao redor" do toro que se combina com o campo toroidal para produzir um campo sinuoso de alguma forma semelhante ao de um stellarator moderno, pelo menos em que os núcleos se movem de do interior para o exterior do dispositivo à medida que fluem em torno dele.
Em 1991, o START foi construído em Culham , Reino Unido , como o primeiro tokamak esférico de uso específico . Este era essencialmente um spheromak com uma haste central inserida. O START produziu resultados impressionantes, com valores de β em aproximadamente 40% - três vezes os produzidos pelos tokamaks padrão na época. O conceito foi ampliado para correntes de plasma mais altas e tamanhos maiores, com os experimentos NSTX (EUA), MAST (Reino Unido) e Globus-M (Rússia) em execução. Os tokamaks esféricos têm propriedades de estabilidade aprimoradas em comparação com os tokamaks convencionais e, como tal, a área está recebendo considerável atenção experimental. No entanto, os tokamaks esféricos até agora têm estado em baixo campo toroidal e, como tal, são impraticáveis para dispositivos de fusão de nêutrons.
Toróides compactos
Toróides compactos, por exemplo, o spheromak e a configuração invertida de campo , tentam combinar o bom confinamento das configurações de superfícies magnéticas fechadas com a simplicidade das máquinas sem um núcleo central. Um experimento inicial desse tipo na década de 1970 foi o Trisops . (Trisops disparou dois anéis de pinça teta um contra o outro.)
De outros
Algumas configurações mais inovadoras produzidas em máquinas toroidais são a pinça de campo reverso e o Experimento Dipolo Levitado .
A Marinha dos EUA também reivindicou um "Dispositivo de Fusão de Compressão de Plasma" capaz de níveis de potência TW em um pedido de patente dos EUA de 2018:
"É uma característica da presente invenção fornecer um dispositivo de fusão por compressão de plasma que pode produzir energia na faixa de gigawatt a terawatt (e superior), com potência de entrada na faixa de quilowatt a megawatt."
Energia de fusão magnética
Todos esses dispositivos enfrentaram problemas consideráveis ao serem ampliados e em sua abordagem em relação ao critério de Lawson . Um pesquisador descreveu o problema do confinamento magnético em termos simples, comparando-o a apertar um balão - o ar sempre tentará "saltar" para outro lugar. A turbulência no plasma tem se mostrado um grande problema, fazendo com que o plasma escape da área de confinamento e, potencialmente, toque as paredes do recipiente. Se isso acontecer, um processo conhecido como " pulverização catódica ", partículas de alta massa do recipiente (geralmente aço e outros metais) são misturadas ao combustível de fusão, baixando sua temperatura.
Em 1997, os cientistas nas instalações do Joint European Torus (JET) no Reino Unido produziram 16 megawatts de energia de fusão. Os cientistas agora podem exercer uma medida de controle sobre a turbulência do plasma e o vazamento de energia resultante, há muito considerada uma característica inevitável e intratável dos plasmas. Há um otimismo crescente de que a pressão do plasma acima da qual o plasma se desmonta pode agora ser grande o suficiente para sustentar uma taxa de reação de fusão aceitável para uma usina de energia. As ondas eletromagnéticas podem ser injetadas e direcionadas para manipular os caminhos das partículas de plasma e, em seguida, para produzir as grandes correntes elétricas necessárias para produzir os campos magnéticos para confinar o plasma. Essas e outras capacidades de controle vieram de avanços na compreensão básica da ciência do plasma em áreas como turbulência do plasma, estabilidade macroscópica do plasma e propagação das ondas do plasma. Muito desse progresso foi alcançado com ênfase particular no tokamak .