Uma tempestade de plasma gira em torno do ímã. É assim que se parece o futuro do fornecimento de energia? Está esperando, bonito de se ver e humilde. (Fonte da imagem: Energia Tokamak)
Costumo escrever para você sobre reatores de fusão. Independentemente do foco em notas frescas, conceitos completamente novos, ímãs gigantescos que agitam plasma ou ouro como subproduto, tecnologia, fatos ou mesmo números são sempre estrelas. Desta vez é diferente.
Porque embora o reator ST40 da Tokamak Energy seja impressionante como uma obra de arte de engenharia, hoje quero mostrar a vocês um lado da pesquisa em fusão que raramente é visto: que beleza o reator de fusão pode extrair da natureza graças à tecnologia mais avançada.
Um raro vislumbre do coração de um sol artificial
Embora estejamos investigando a fusão nuclear há décadas, vídeos mais longos do interior de um reator são considerados raros. As animações são abundantes, seja do ITER da França ou do Wendelstein 7-X da costa do Mar Báltico.
Raramente vemos material de vídeo real, gravado ao vivo e em cores. Já é uma conquista ver o interior de um recipiente fechado onde o campo magnético luta pelo domínio com material de temperatura ultra-alta (mais de 100 milhões de graus de calor).
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Há alguns dias, uma filmagem incrível apareceu no YouTube. A Tokamak Energy publica um vídeo lá e em sua página inicial, gravado por uma câmera desenvolvida internamente. Refere-se ao fogo de fusão, ao plasma, o Santo Graal dos físicos que buscam a fonte de energia mais eficiente na prática: a fusão nuclear. Resumindo: a fusão de dois núcleos atômicos para produzir energia elétrica.
Para obter detalhes sobre a pesquisa de fusão e as diversas variantes de reatores, consulte a caixa desdobrável abaixo:
Noções básicas e tipos de fusão nuclear
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Conhecemos três ramos principais nos quais a investigação em fusão nuclear é realizada em paralelo:
Apesar das diferenças, todos eles têm uma coisa em comum: Eles usam energia para aquecer água. O vapor produzido aciona uma turbina que gera energia elétrica.
Na etapa final do processo, uma central de fusão não é diferente de uma central de carvão, gás ou nuclear.
No entanto, não produz energia térmica a partir da combustão de energia fóssil quimicamente ligada (carvão e gás) ou da fissão de núcleos muito pesados (centrais nucleares).
No entanto, durante a fusão nuclear, dois núcleos atômicos leves se fundem em um mais pesado. Geralmente dois átomos de hidrogênio, a partir dos quais o hélio é formado. A energia é liberada principalmente na forma de nêutrons. Este processo ocorre no chamado plasma.
Plasma como os quatro estados da matéria (junto com sólido, líquido e gasoso). Isso acontece quando o gás é muito aquecido. Após o início da fusão nuclear, o plasma permanece à temperatura.
No entanto, a eletricidade é fornecida de fora para começar. O aquecimento pode ocorrer através de vários processos, por exemplo através de radiação de microondas. O plasma flutua magneticamente em um recipiente a vácuo – ou seja, livre de outros gases.
Estelarador: Em vez de fluir em uma câmara normal, o plasma flui através de um túnel estreito, quase em forma de anel, que também é torcido. O vento de plasma ali é quase relâmpago. Requer apenas um único campo magnético, que é gerado por um ímã em forma de anel.
Ao contrário de um tokamak, nenhuma corrente flui através do plasma, pois um conjunto complexo de ímãs externos pode fazer o trabalho. Ao contrário de um tokamak, um stellarator pode funcionar continuamente e gerar eletricidade continuamente.
Mas: Um arranjo tridimensional e assimétrico torna-se um monstro matemático e físico. Somente um supercomputador pode realizar os cálculos necessários.
Portanto, o projeto teórico de reatores estelares só foi possível no final do século XX. Eles estão um pouco atrasados em relação ao desenvolvimento dos tokamaks – mas, segundo muitos especialistas, são candidatos mais adequados para geração de energia.
Fusão inercial: Consiste em projéteis ou lasers que são poderosos em um ponto pequeno. Dentro da câmara de reação há uma pequena quantidade de combustível (hidrogênio) na forma de pellets.
A energia do laser ou dos projéteis atinge o pellet em microssegundos e o comprime fortemente.
Esta imensa compressão e calor causam a fusão nuclear. Porém, para obter energia por um longo período de tempo, esse processo deve ser repetido e muito rápido. Basicamente, queremos dizer coletar energia da detonação de bombas de hidrogênio em miniatura.
Foram agora alcançados marcos importantes nos tokamaks e no domínio da fusão inercial, e serão também comunicados progressos em novos tipos de reactores:
O que pode ser visto no vídeo e onde é feito?
A gravação foi feita em um reator de pesquisa em Oxfordshire (Grã-Bretanha). Tokamak redondo ST40
da Tokamak Energia.
A visão do espaço do plasma é fornecida por uma câmera colorida de alta velocidade desenvolvida pela própria empresa britânica: 16.000 imagens coloridas por segundo com extrema resistência devido a altas temperaturas e campos magnéticos severos.
Reator de pesquisa ST40
A forma do reator o distingue de instalações como o ITER, mesmo visto de fora. O sistema, lançado em 2017 e atualizado desde então, é praticamente igual ao núcleo da maçã.
Um tokamak normal se parece com um donut, que é um anel de tubos circulares cobrindo um grande buraco. O ST40 tem design mais compacto, embora a abertura no meio seja pequena.
Visualização do reator de teste ST40. (Fonte da imagem: Energia Tokamak)
O ST40 é várias vezes menor que o ITER, o que é incomum para um experimento que examina a fusão nuclear comercialmente viável: com um diâmetro de cerca de um metro, o ITER é o maior tokamak do mundo, com cerca de 20 metros. O deutério e o trítio (dois isótopos do hidrogênio) são usados como combustível.
As empresas privadas esperam que a arquitetura seja mais fácil de escalar do que conceitos mais antigos, como o ITER (via iopscience).
Aqui está o que você vê no vídeo: O solenóide magnético está no centro (veja a caixa dobrável acima para obter detalhes) e o fluxo de plasma se move em torno dele. Este é um átomo do qual a maioria dos elétrons foi removida – é simplesmente muito quente (quatro estados de agregação, junto com gás, líquido e sólido). Aqui encontramos a dança pulsante do material, provavelmente na sua forma mais extrema.
Girando diante de nós está uma sopa de núcleos atômicos e elétrons livres a cerca de 100 milhões de graus, trancados em uma gaiola invisível. Apenas a caixa magnética permanece na gaiola flutuando na sala.
O plasma não deve tocar a parede de forma descontrolada, pois isso causará danos ou pelo menos causará interferência no funcionamento. Para que o reator seja capaz de manter extremos em seu interior, essas condições devem ser mantidas com precisão.
Apenas certos pontos, chamados placas divertoras, podem entrar em contato com a matéria que gira exatamente na quantidade certa. O calor é então dissipado através dele para acionar uma turbina através da evaporação da água. Esta energia térmica agora flui para a água fria.
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A cor leva ao frio
A princípio você só tem uma breve visão do campo de plasma; na maioria das vezes vemos apenas o limite.
A razão para isso é simples. Lá fora, o plasma é frio – em relação aos demais (um a dez milhões de graus) – geralmente só é emitida luz visível (vermelha e azul, portanto rosa).
Basicamente, o seguinte se aplica a esta foto: onde você não consegue ver nada, a temperatura é mais alta – mais quente que o interior do sol. Não há necessidade de temperaturas muito altas. O núcleo de um átomo se funde no núcleo devido à pressão, mas não podemos criar essa pressão na Terra.
Cerca de seis segundos de vídeo, fogos de artifício vermelhos piscam no canto superior direito. Estas são minúsculas esferas de lítio do tamanho de grãos de areia que caem no plasma. Pouco depois de aparecer, o plasma iluminou-se em um anel verde: uma onda de linhas de cor opala fluiu ao redor do núcleo do reator. Como toda matéria, ela segue um campo magnético – por isso pode aparecer como uma linha contínua.
O verde é causado pela excitação do lítio que não está totalmente ionizado. Antes perdia um elétron, mas ainda havia pelo menos um. Depois estimulado pela situação da sala. Assim que libera energia novamente na forma de fótons, ele brilha em verde.
No entanto, o lítio não é apenas um foguete de alta tecnologia eficaz, mas também se destina a aumentar o potencial de desempenho do plasma para futura fusão nuclear. O mesmo se aplica à gravação de vídeo em si. Segundo os pesquisadores, também pode ser usado como estudo no plasma.
Ajudantes no caminho para uma descoberta
A Tokamak Energy quer aperfeiçoar o conceito nos próximos anos devido a experimentos com lítio durante o registro, o objetivo: um reator que possa ser adicionado para se tornar uma verdadeira usina e possa fornecer energia a uma cidade inteira – a produção alvo é de 500 megawatts, o que corresponde a cerca de metade de um bloco de usina nuclear moderna.
Tal como a Proxima Fusion de Munique ou a TAE Technologies da Califórnia, fazem parte do número crescente de empresas que pretendem iniciar uma nova produção de electricidade, para além de projectos financiados pelo Estado.
Quando isso vai acontecer? Para além das promessas de marketing associadas aos intervenientes do sector privado, ainda é necessária cautela: se conseguirmos colocar a primeira central eléctrica de ciclo combinado em funcionamento na década de 2030, será uma conquista histórica da qual a humanidade deverá orgulhar-se.
Opinião editorial
Gerald Wessel
1. Carta de Paulo aos Coríntios, 2:10 Mas Deus nos revelou isso através do seu Espírito; pois o Espírito sonda todas as coisas, mesmo nas profundezas da Divindade.
Eu sou ateu. Portanto, a religião e a crença em um Deus sobrenatural são estranhas para mim.
Mas fotos como a acima me mostram algo mágico. Não é obra do homem ou da máquina, mas uma replicação do estado que produz a vida. Na minha opinião, nada no mundo se aproxima mais da verdadeira divindade do que estudar plasma e fundir núcleos atômicos.
Energia é luz visível, liberada através da fusão no núcleo do Sol, que nos cria e nos mantém vivos.
Para mim, a beleza fascinante, embora estranha, do interior de um reator de fusão esconde muito mais do que as tarefas mais básicas da ciência. Com a ajuda da nossa mente, exploramos as profundezas do deus indiferente, mas onipresente, a quem devemos tudo: a obra mais profunda da natureza.
