May 09, 2023
Energia de fusão avançada: Pesquisadores atingem recorde
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As reações de fusão nuclear geram grandes quantidades de energia. Um exemplo de fusão nuclear são as reações que acontecem no núcleo do sol. Aproveitar a energia de fusão tem sido um objetivo de cientistas e pesquisadores, pois não produz emissões de gases de efeito estufa ou resíduos radioativos de vida longa.
No entanto, existem vários gargalos para a produção de energia de fusão, como a exigência de altas temperaturas e pressões, instabilidade do plasma, custo, escalabilidade e equilíbrio de energia.
Apesar desses desafios, um progresso significativo foi feito na pesquisa de energia de fusão.
Tokamaks são um dispositivo usado na fusão de confinamento magnético. Nessas reações, um poderoso campo magnético é usado para controlar e confinar o plasma quente do combustível de fusão no núcleo do reator. O plasma é aquecido a altas temperaturas usando injeção de feixe neutro ou aquecimento por radiofrequência. O objetivo principal é manter um estado de plasma estável onde as reações de fusão possam ocorrer continuamente, fornecendo uma fonte de energia ilimitada.
Um estudo recente de pesquisadores do Oak Ridge National Laboratory (ORNL), do Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) e da Tokamak Energy Ltd mostra um avanço significativo na pesquisa de energia de fusão. A equipe atingiu temperaturas de quase 100 milhões de graus Celsius, necessárias para usinas de fusão gerarem energia comercial.
Além disso, eles alcançaram altas temperaturas em um tokamak compacto, o que não havia sido feito antes!
Neste estudo, os pesquisadores se concentraram em refinar as condições operacionais de um dispositivo tokamak (ST) esférico de alto campo chamado ST40. Comparado a outros dispositivos de fusão, o dispositivo ST40 se destaca por seu tamanho menor e seu plasma esférico.
A equipe usou uma abordagem semelhante à da década de 1990 no tokamak TFTR, que gerou mais de 10 milhões de watts de energia de fusão. O ST40 foi operado com um campo magnético toroidal (em forma de rosquinha) em valores ligeiramente acima de 2 Tesla.
A equipe usou 1,8 milhão de watts de partículas neutras de alta energia para aquecer o plasma. Embora a descarga de plasma, ou o período em que as reações de fusão estivessem ocorrendo ativamente, fosse de apenas 0,15 segundo, as temperaturas dos íons no núcleo atingiram mais de 100 milhões de graus Celsius.
A equipe usou o código de transporte TRANSP desenvolvido no PPPL para medir as temperaturas dos íons. Esse código é útil porque leva em consideração os perfis de temperatura medidos das impurezas e do deutério, o principal combustível usado em reatores de fusão.
Eles descobriram que a faixa de temperatura para as impurezas era superior a 8,6 keV (aproximadamente 100 milhões de graus Celsius), enquanto a faixa de temperatura para o deutério era em torno desse valor. Essa descoberta sugere que o método de aquecimento usado no experimento alcançou efetivamente as altas temperaturas desejadas.
Os resultados fornecem otimismo para o desenvolvimento futuro de usinas de fusão baseadas em tokamaks esféricos compactos de alto campo. Esses avanços podem levar a soluções de energia de fusão mais eficientes e economicamente viáveis, oferecendo um caminho promissor para a geração de energia limpa e sustentável.
O estudo foi publicado na revista Nuclear Fusion.
Resumo do estudo:
Temperaturas de íons de mais de 100 milhões de graus Kelvin (8,6 keV) foram produzidas no tokamak esférico (ST) compacto de alto campo ST40. Temperaturas de íons superiores a 5 keV não foram alcançadas anteriormente em nenhum ST e foram obtidas apenas em dispositivos muito maiores com poder de aquecimento de plasma substancialmente maior. O produto triplo de fusão correspondente é calculado como sendo ni0Ti0τE≈6±2 x 1018 m-3 keVs. Esses resultados demonstram pela primeira vez que as temperaturas de íons relevantes para a fusão de confinamento magnético comercial podem ser obtidas em um ST compacto de alto campo e são um bom presságio para usinas de energia de fusão baseadas no ST de alto campo.