Tokamak compacto para produzir energia segura, limpa e praticamente ilimitada

Tokamak compacto para produzir energia
segura, limpa e praticamente ilimitada

As instalações de fusão tokamak, os dispositivos mais amplamente utilizados para a coleta na Terra das reações de fusão que alimentam o sol e as estrelas, podem ser desenvolvidas mais rapidamente para produzir energia segura, limpa e praticamente ilimitada para gerar eletricidade? O físico Jon Menard, do Departamento de Energia (DOE) do Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) examinou essa questão em uma análise detalhada do conceito de um tokamak compacto equipado com ímãs supercondutores de alta temperatura (HTS). Esses ímãs podem produzir campos magnéticos mais altos - necessários para produzir e sustentar reações de fusão - do que seria possível em uma instalação compacta.

Menard apresentou pela primeira vez o artigo, agora publicado na Philosophical Transactions da Royal Society A , para uma oficina da Royal Society em Londres, que explorou a aceleração do desenvolvimento do poder de fusão produzido por tokamak com tokamaks compactos. "Este é o primeiro documento que documenta quantitativamente como os novos supercondutores podem interagir com a alta pressão que os tokamaks compactos produzem para influenciar como os tokamaks são otimizados no futuro", disse Menard. "O que tentamos desenvolver foram alguns modelos simples que captam aspectos importantes de um projeto integrado".

Resultados "muito significativos"

As descobertas são "muito significativas", disse Steve Cowley, diretor do PPPL. Cowley observou que "os argumentos de Jon neste e no artigo anterior foram muito influentes no recente relatório da Academia Nacional de Ciências", que apela a um programa dos EUA para desenvolver uma planta piloto de fusão compacta para gerar eletricidade ao menor custo possível. "Jon realmente delineou os aspectos técnicos para tokamaks muito menores usando ímãs de alta temperatura", disse Cowley.

Os tokamaks compactos, que podem incluir instalações esféricas como o NSTX-U (National Spherical Torus Experiment- Upgrade) que está em reparo no PPPL e o MAST (Mega Ampere Spherical Tokamak) na Grã-Bretanha, fornecem alguns recursos vantajosos. Os dispositivos, com a forma de maçãs tubulares em vez de tokamaks convencionais tipo rosquinha, podem produzir plasmas de alta pressão que são essenciais para reações de fusão com campos magnéticos relativamente baixos e econômicos.

Tais reações fundem elementos leves na forma de plasma - o estado quente e carregado de matéria composto de elétrons livres e núcleos atômicos - para liberar energia. Os cientistas procuram replicar esse processo e, essencialmente, criar uma estrela na Terra para gerar eletricidade abundante para casas, fazendas e indústrias em todo o mundo. A fusão pode durar milhões de anos com pouco risco e sem gerar gases de efeito estufa.

Estende o exame anterior

O estudo de Menard amplia seu exame anterior de um projeto esférico que poderia desenvolver materiais e componentes para um reator de fusão e servir como uma planta piloto para produzir energia elétrica. O presente artigo fornece uma análise detalhada das complexas compensações que os experimentos futuros precisarão explorar quando se trata de integrar tokamaks compactos com ímãs HTS. "Percebemos que não há uma inovação única que possa ser considerada para levar a um avanço para tornar os dispositivos mais compactos ou econômicos", disse Menard. "Você tem que olhar para todo um sistema integrado para saber se você está obtendo benefícios de campos magnéticos mais altos."

O artigo enfoca as principais questões sobre o tamanho do buraco, definido como a "proporção", no centro do tokamak que segura e molda o plasma. Em tokamaks esféricos, este buraco pode ter metade do tamanho do orifício em tokamaks convencionais, correspondendo à forma semelhante a maçã do design compacto. Enquanto os físicos acreditam que proporções mais baixas podem melhorar a estabilidade do plasma e o confinamento do plasma, "não saberemos do lado do confinamento até que façamos experimentos com as atualizações do NSXT-U e do MAST", disse Menard.

Razões de aspecto mais baixas fornecem uma configuração atrativa para os ímãs HTS, cuja alta densidade de corrente pode produzir os campos magnéticos fortes que a fusão exige dentro do espaço relativamente estreito de um tokamak compacto. No entanto, os magnetos supercondutores precisam de uma proteção espessa para proteção contra danos causados ​​por bombardeio de nêutrons e aquecimento, deixando espaço insuficiente para um transformador induzir corrente no plasma para completar o campo de torção quando o tamanho do dispositivo é reduzido. Para projetos com menor razão de aspecto, os cientistas teriam que desenvolver novas técnicas para produzir parte ou toda a corrente de plasma inicial.

200 a 300 megawatts de energia elétrica

A manutenção do plasma para gerar os 200 a 300 megawatts de energia elétrica examinados no papel também exigiria maior confinamento do que os regimes operacionais de tokamak padrão normalmente alcançam. Essa produção de energia poderia levar a fluxos desafiadores de nêutrons de fusão que limitariam a vida útil estimada dos ímãs HTS a um a dois anos de operação com potência total. A proteção mais grossa poderia aumentar substancialmente essa vida útil, mas também diminuiria a entrega de energia de fusão.

O desenvolvimento principal será de fato necessário para os ímãs HTS, que ainda não foram construídos em escala. "Provavelmente, levará anos para montar um modelo dos elementos essenciais dos requisitos de tamanho dos magnetos e fatores relacionados em função da relação de aspecto", disse Menard.

A linha de fundo, ele disse, é que a taxa de proporção mais baixa "vale a pena investigar com base nesses resultados". Os benefícios potenciais dos índices mais baixos, observou ele, incluem a produção de densidade de potência de fusão - a saída crucial da energia de fusão por volume de plasma - que excede a produção de razões de aspecto convencionais. "A fusão precisa se tornar mais atraente", disse Menard, "por isso é importante avaliar os benefícios de proporções mais baixas e quais são as desvantagens".

Artigo:

JE Menard. Compacte a dependência do desempenho tokamak em estado estacionário dos limites físicos e magnéticos do núcleo . Transações Filosóficas da Royal Society A: Ciências Matemáticas, Físicas e de Engenharia , 2019; 377 (2141): 20170440 DOI: 10.1098 / rsta.2017.0440

Fonte:

www.sciencedaily.com/releases/2019/03/190319121811.htm

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