Migma - Migma
Migma , às vezes migmatron ou migmacell , foi um reator de fusão de feixe de colisão proposto projetado por Bogdan Maglich em 1969. Migma usa feixes de íons de auto-intersecção de pequenos aceleradores de partículas para forçar a fusão dos íons. Sistemas semelhantes usando coleções maiores de partículas, até tamanhos microscópicos de poeira, eram chamados de " macrons ". Migma foi uma área de pesquisa na década de 1970 e início de 1980, mas a falta de financiamento impediu um maior desenvolvimento.
Fusão convencional
A fusão ocorre quando os átomos se aproximam e a força nuclear forte une seus núcleos. Contra este processo está o fato de que os núcleos estão todos carregados positivamente e, portanto, se repelem devido à força eletrostática . Para que a fusão ocorra, os núcleos devem ter energia suficiente para superar essa barreira coulomb . A barreira é reduzida para átomos com carga menos positiva, aqueles com menos prótons , e a força forte é aumentada com núcleons adicionais, o número total de prótons e nêutrons . Isso significa que uma combinação de deutério e trítio tem a barreira coulomb mais baixa, a cerca de 100 keV (ver requisitos para fusão ).
Quando o combustível é aquecido a altas energias, os elétrons se desassociam dos núcleos, que são deixados como íons em um plasma semelhante a um gás . Quaisquer partículas em um gás são distribuídas por uma ampla gama de energias em um espectro conhecido como distribuição de Maxwell-Boltzmann . Em qualquer temperatura, a maioria das partículas está com energias mais baixas, com uma "cauda longa" contendo um número menor de partículas com energias muito mais altas. Portanto, embora 100 KeV represente uma temperatura de mais de um bilhão de graus, para produzir eventos de fusão o combustível não precisa ser aquecido a essa temperatura como um todo. Mesmo a uma temperatura muito mais baixa, a taxa de fusão entre os membros da cauda longa pode ser alta o suficiente para fornecer potência útil de saída, desde que seja confinada por algum período de tempo. O aumento da densidade também aumenta a taxa, pois a energia das reações aquece o combustível circundante e, potencialmente, também incita a fusão nele. A combinação de temperatura, densidade e tempo de confinamento é conhecida como o critério de Lawson .
Duas abordagens principais foram desenvolvidas para atacar o problema da energia de fusão . Na abordagem de confinamento inercial , o combustível é rapidamente comprimido a densidades extremamente altas, aumentando a temperatura interna no processo. Não há tentativa de manter essas condições por qualquer período de tempo, o combustível explode para fora assim que a força é liberada. O tempo de confinamento é da ordem de nanossegundos, então as temperaturas e a densidade têm que ser muito altas para que qualquer quantidade apreciável de combustível sofra fusão. Essa abordagem tem sido bem-sucedida na produção de reações de fusão, mas até o momento os dispositivos que podem fornecer a compressão, normalmente os lasers , requerem mais energia do que as reações produzem.
Na abordagem de confinamento magnético mais amplamente estudada , o plasma, que é eletricamente carregado, é confinado com campos magnéticos. O combustível é aquecido lentamente até que parte do combustível na cauda da distribuição de temperatura comece a sofrer fusão. Nas temperaturas e densidades possíveis com o uso de ímãs, o processo de fusão é bastante lento, portanto, essa abordagem requer longos tempos de confinamento da ordem de dezenas de segundos, ou mesmo minutos. Confinar um gás a milhões de graus para esse tipo de escala de tempo tem se mostrado difícil, embora as máquinas experimentais modernas estejam se aproximando das condições necessárias para a produção de energia líquida.
Fusão Migma
A abordagem do feixe de colisão evitou o problema de aquecimento da massa de combustível a essas temperaturas, acelerando os íons diretamente em um acelerador de partículas .
A maneira simples de fazer tal sistema é pegar dois aceleradores e apontá-los um para o outro. No entanto, a chance de que dois íons colidam é infinitesimal; a maioria dos íons voaria entre si e sua energia seria perdida. Para tornar tal sistema prático em termos de energia, as partículas precisam ser recirculadas para que tenham muitas chances de colidir. Uma maneira de fazer isso é usar um anel de armazenamento , mas os íons que chegam perto de uma reação se espalham em ângulos altos que os fazem sair dos anéis. A matemática simples mostrou que essa abordagem não funcionaria; a taxa de perda desses quase-acidentes sempre seria muito maior do que a energia ganha nas reações de fusão.
O conceito de Maglich modificou o arranjo com base em um novo conceito de armazenamento de partículas que ele co-inventou, conhecido como "precetron". Em um conceito típico de anel de armazenamento, as partículas são disparadas para dentro do anel com uma energia específica para que sigam o caminho do anel. Em contraste, no precetron, a área de armazenamento é um espelho magnético . Na maioria dos arranjos de espelhos magnéticos, a energia média das partículas é relativamente baixa e os íons e elétrons têm órbitas relativamente pequenas em torno das linhas de força magnética, com raios muito menores do que o diâmetro do espelho como um todo. No precétron, os íons têm energias muito mais altas e, portanto, órbitas muito maiores, ocupando uma parte significativa do diâmetro do espelho, cerca de 1 ⁄ 3 a 1 ⁄ 2 . Nesse arranjo, os íons tenderão a se mover em direção ao centro do volume do espelho, em vez de refletir para frente e para trás entre as extremidades, como na configuração clássica do espelho.
Além disso, devido ao arranjo dos campos, com o campo sendo mais forte na parte externa do volume, as órbitas de íons terão precessão em torno da área interna. Isso faz com que o caminho circular mova seu centro de rotação. Por exemplo, se a partícula for inicialmente disparada para a área de armazenamento de modo que orbite em torno da metade inferior da área do espelho, ela se moverá lentamente para que a órbita fique em um lado, depois no topo, no outro lado e, em seguida, o fundo novamente. Se traçarmos o caminho de um único íon ao longo do tempo, ele forma um padrão semelhante ao de um espirógrafo , criando uma série de círculos que preenchem o volume.
A chave para usar esse conceito no sistema migma era disparar os íons na câmara com a energia certa para que seus caminhos passassem pelo centro geométrico do espelho. Depois de um curto período, essa órbita teria precessão do ponto de entrada inicial. Quando outro íon é disparado, ele assume a órbita original. Com o tempo, a câmara se encheria de íons orbitando dentro do que era efetivamente um número infinito de anéis de armazenamento, todos se cruzando no centro. E como eles se encontravam no centro, os íons no lado oposto da câmara se moviam em direções opostas quando se encontravam, então um único acelerador produzia um efeito semelhante a dois aceleradores e dois anéis de armazenamento no layout convencional.
Uma grande vantagem dessa abordagem é que o espalhamento direto dos íons em reações "perdidas" simplesmente os moveria para uma órbita diferente, mas seu movimento natural no campo do espelho os traria rapidamente de volta ao centro. Foram apenas os íons que se espalharam em um grande ângulo fora do eixo que escapariam. Como resultado, era esperado que qualquer íon dado levaria cerca de 10 8 órbitas através da área de reação antes de se espalhar para fora do sistema. O termo "migma", da palavra grega para "mistura", foi escolhido para distinguir essa massa de íons em órbita do plasma em máquinas convencionais.
Reatores
Uma série de quatro reatores Migma foi construída; o Migma original (retroativamente, Migma I) em 1973, Migma II em 1975, Migma III em 1976 e, eventualmente, culminando com o Migma IV em 1982. Esses dispositivos eram relativamente pequenos, apenas alguns metros de comprimento ao longo da linha de luz do acelerador com um disco câmara-alvo em forma de cerca de 2 metros (6 pés 7 pol.) de diâmetro e 1 metro (3 pés 3 pol.) de espessura. Os dispositivos de teste da Migma usavam aceleradores de cerca de 1 MeV a 2 MeV.
Os projetos Migma visam usar combustíveis aneutrônicos , mais notavelmente a reação D-He3, que requer temperaturas muito mais altas para atingir a ignição do que a reação DT típica. O Migma II conseguiu atingir a temperatura necessária, cerca de 15 bilhões de graus, em 1975. O Migma IV estabeleceu um recorde de tempo de confinamento de 25 segundos em 1982, bem como o produto triplo de fusão recorde (densidade × energia-confinamento-tempo × energia média ) de 4 × 10 14 keV seg.cm −3 , um recorde que não foi abordado por um tokamak convencional até que o JET atingiu 3 × 10 14 keV seg.cm −3 em 1987.
Para fazer um Migma grande o suficiente para produzir energia líquida, o produto triplo alcançado pelo Migma IV teria que ser aumentado entre 100 e 1000 vezes. Maglich tentou obter financiamento para um projeto subsequente por algum tempo, sem sucesso. De acordo com um artigo no The Scientist , Maglich tem se envolvido em um debate acirrado com as várias agências de financiamento desde os anos 1980.
Problemas
Quando o projeto Migma foi considerado pela primeira vez, ele foi modelado usando técnicas de acelerador de partículas. Não houve uma consideração profunda do beta do projeto, a razão entre o campo magnético e a pressão do plasma. Em designs convencionais, como o espelho tradicional, o beta é uma figura chave de desempenho que indica o quão poderosos os ímãs precisariam ser para qualquer quantidade de combustível dentro do reator. O custo dos ímãs varia de acordo com a potência, então isso dá uma estimativa aproximada da economia do reator. Em Migma, não há plasma no sentido convencional, então não estava claro se essa consideração se aplicava - contanto que um campo correspondesse à energia dos íons para que eles permanecessem confinados, as necessidades técnicas eram atendidas.
Mas a alimentação contínua de íons leva a um problema óbvio: a câmara de reação ficaria cada vez mais carregada positivamente. Isso produziu uma pressão externa semelhante à pressão de um plasma convencional causada pela lei dos gases ideais . Eventualmente, essa pressão sobrecarregaria o campo magnético, independentemente da energia das partículas. Para ficar abaixo desse limite, a densidade das partículas tinha que ser muito baixa, cerca de 1 ⁄ 1000 a de um projeto de espelho típico.
Pode-se compensar esse efeito injetando elétrons e íons, de modo que o volume macroscópico seja neutralizado. No entanto, isso leva a dois novos efeitos que fazem com que a energia do reator seja perdida. Uma é que os elétrons irão impactar aleatoriamente os íons, fazendo com que eles se neutralizem, o que significa que eles não estão mais sujeitos ao campo magnético e livres para deixar a câmara de reação. Mesmo quando tal neutralização não ocorresse, os impactos entre os elétrons e os íons fariam com que os elétrons liberassem energia através da radiação bremsstrahlung e do síncrotron .
Em alguma densidade crítica de elétrons, essas perdas serão maiores do que a quantidade de energia alimentada no sistema pelos aceleradores. Para resolver isso, os projetos pretendiam operar com contagens de elétrons muito baixas, da ordem de um elétron para cada 100 íons. Isso leva a uma limitação significativa nos parâmetros operacionais possíveis do projeto; se as contagens de elétrons são baixas, a densidade do combustível deve ser baixa para evitar que a carga positiva oprima os ímãs, mas se a densidade do elétron for aumentada para permitir uma densidade maior do combustível, as perdas começam a aumentar por meio dos efeitos do elétron.
Para melhorar esse número, foi sugerido que um segundo acelerador também disparasse elétrons para a câmara; se elétrons metessem íons, eles se neutralizariam e, como tal, não estariam mais sujeitos aos campos magnéticos e deixariam a câmara. A chave para fazer esse trabalho seria enviar os elétrons para o centro, onde os íons mais lentos, que não eram mais úteis, estavam se acumulando. Os elétrons livres também deveriam ser eliminados por dispositivos na câmara do reator.
No final da década de 1990, uma consideração generalizada dessas questões sugeriu que a Migma não estava sozinha nesse problema; quando se considera o bremsstrahlung em combustíveis não termalizados, parece que nenhum sistema funcionando com combustíveis aneutrônicos pode se aproximar da ignição, que qualquer sistema que use combustíveis não termalizados (incluindo Migma) parece ser capaz de cobrir suas perdas. A única abordagem que parece ter uma possibilidade teórica de funcionar é a reação DT ou talvez DD em uma massa de plasma termalizada.