Após uma década de design e fabricação, A General Atomics está pronta para enviar o primeiro módulo do Solenóide Central, o ímã mais poderoso do mundo. Ele se tornará um componente central do ITER, uma máquina que replica o poder de fusão do sol. O ITER está sendo construído no sul da França por 35 países parceiros.

A missão do ITER é provar que a energia da fusão do hidrogênio pode ser criada e controlada na Terra. A energia de fusão é livre de carbono, seguro e econômico. Os materiais para alimentar a sociedade com a fusão de hidrogênio por milhões de anos são abundantes.

Apesar dos desafios da Covid-19, O ITER é quase 75% construído. Nos últimos 15 meses, componentes massivos e inéditos começaram a chegar à França vindos de três continentes. Quando montados juntos, eles constituirão o ITER Tokamak, um "sol na terra" para demonstrar a fusão em escala industrial.

O ITER é uma colaboração de 35 países parceiros:a União Europeia (mais o Reino Unido e a Suíça), China, Índia, Japão, Coréia, Rússia e Estados Unidos. A maior parte do financiamento do ITER é na forma de componentes de contribuição. Esse arranjo leva empresas como a General Atomics a expandir sua experiência nas tecnologias futurísticas necessárias para a fusão.

O Solenóide Central, o maior dos ímãs do ITER, será composto por seis módulos. É uma das maiores contribuições dos EUA para o ITER.

Totalmente montado, terá 18 metros (59 pés) de altura e 4,25 metros (14 pés) de largura, e pesará mil toneladas. Isso vai induzir uma poderosa corrente no plasma ITER, ajudando a moldar e controlar a reação de fusão durante pulsos longos. Às vezes é chamado de "coração pulsante" da máquina ITER.

Quão poderoso é o Solenóide Central? Sua força magnética é forte o suficiente para levantar um porta-aviões 2 metros (6 pés) no ar. Em seu núcleo, alcançará uma força de campo magnético de 13 Tesla, cerca de 280, 000 vezes mais forte do que o campo magnético da Terra. As estruturas de suporte do Solenóide Central terão que suportar forças iguais ao dobro do empuxo de uma decolagem de ônibus espacial.

No início deste ano, A General Atomics (GA) concluiu o teste final do primeiro módulo Solenóide Central. Esta semana, ele será carregado em um caminhão de transporte pesado especial para embarque para Houston, onde será colocado em um navio oceânico para envio ao sul da França.

O Solenóide Central desempenhará um papel crítico na missão do ITER de estabelecer a energia de fusão como um instrumento prático, fonte segura e inesgotável de limpeza, eletricidade abundante e sem carbono.

"Este projeto está entre os maiores, programas magnéticos mais complexos e exigentes já realizados, "diz John Smith, Diretor de Engenharia e Projetos da GA. “Falo por toda a equipe quando digo que este é o projeto mais importante e significativo de nossas carreiras. Todos nós sentimos a responsabilidade de trabalhar em uma função que tem potencial para mudar o mundo. Esta é uma conquista significativa para a GA equipe e US ITER. "

Os módulos Solenóide Central estão sendo fabricados no Centro de Tecnologias Magnéticas da GA em Poway, Califórnia, perto de San Diego, sob a direção do projeto US ITER, gerido pelo Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Cinco módulos Solenóide Central adicionais, mais um sobressalente, estão em vários estágios de fabricação. O Módulo 2 será enviado em agosto.

A promessa da fusão

A fusão de hidrogênio é um método ideal de geração de energia. O combustível deutério está prontamente disponível na água do mar, e o único subproduto é o hélio. Como um gás, carvão, ou planta de fissão, uma planta de fusão fornecerá alta concentração, energia de carga de base 24 horas por dia. Ainda assim, a fusão não produz emissões de gases de efeito estufa ou resíduos radioativos de longa duração. O risco de acidentes com uma planta de fusão é muito limitado - se a contenção for perdida, a reação de fusão simplesmente para.

A energia de fusão está mais próxima do que muitas pessoas imaginam. Pode fornecer uma fonte de eletricidade sem carbono para a rede, desempenhando um papel fundamental à medida que os EUA e outras nações descarbonizam sua infraestrutura de geração. Dois relatórios recentes lançados pela comunidade de fusão mostram as maneiras pelas quais os EUA podem chegar lá.

Em dezembro, o Comitê Consultivo de Ciências de Energia de Fusão do Departamento dos EUA divulgou um relatório que apresenta um plano estratégico para a pesquisa de energia de fusão e ciência de plasma na próxima década. Exige o desenvolvimento e construção de uma planta piloto de fusão até 2040.

Em fevereiro deste ano, as Academias Nacionais de Ciências, Engenharia, e a Medicina (NASEM) divulgou relatório complementar convocando ações agressivas para a construção de uma usina piloto. O relatório NASEM propõe um projeto até 2028 e uma planta piloto de fusão no cronograma 2035-2040.

"O objetivo de trabalhar a partir desta linha do tempo era delinear o que seria necessário para ter um impacto na transição para a redução das emissões de carbono até meados do século. Muitos investimentos e atividades essenciais precisariam começar agora para cumprir essa linha do tempo, "diz Kathy McCarthy, Diretor do US ITER Project Office no Oak Ridge National Laboratory. "A experiência que estamos ganhando com o ITER integrado, a engenharia em escala de reator é inestimável para realizar um processo viável, caminho prático para a energia de fusão. "

Aproveitando recursos globais para pesquisa de fusão

O ITER ("The Way" em latim) é um dos projetos de energia mais ambiciosos já tentados. No sul da França, uma coalizão de 35 nações está colaborando para construir o maior e mais poderoso dispositivo de fusão tokamak. A campanha experimental a realizar no ITER é crucial para preparar o terreno para as centrais de fusão de amanhã.

Sob o acordo ITER de 2006, todos os membros compartilharão igualmente da tecnologia desenvolvida, financiando apenas uma parte do custo total. Os EUA estão contribuindo com cerca de 9% dos custos de construção do ITER.

"O projeto ITER é a colaboração científica mais complexa da história, "diz o Dr. Bernard Bigot, Diretor-Geral da Organização ITER. "Componentes pioneiros muito desafiadores estão sendo fabricados em três continentes ao longo de um período de quase 10 anos por empresas líderes como a General Atomics. Cada componente representa uma equipe de engenharia de alto nível. Sem essa participação global, O ITER não teria sido possível; mas como um esforço combinado, cada equipe alavanca seu investimento por meio do que aprende com as outras. "

Tanto os insights de engenharia quanto os dados científicos gerados pelo ITER serão críticos para o programa de fusão dos EUA. Tal como acontece com os outros membros, a maioria das contribuições dos EUA são na forma de fabricação em espécie. Esta abordagem permite que os países membros apoiem a fabricação nacional, criar empregos de alta tecnologia, e desenvolver novas capacidades na indústria privada.

"A entrega do primeiro módulo ITER Central Solenóide é um marco emocionante para a demonstração da energia de fusão e também uma conquista fantástica da capacidade dos EUA de construir grandes dimensões, campo alto, ímãs supercondutores de alta energia, "diz o Dr. Michael Mauel, da Columbia University." O sucesso da GA na construção, testando, e fornecer ímãs supercondutores de alto campo para energia de fusão é um avanço de alta tecnologia para os EUA e dá confiança na realização da energia de fusão no futuro. "

"Os Estados Unidos são um membro vital do projeto ITER, que eles iniciaram décadas atrás, "Bigot explica, "Atômica Geral, com sua experiência de classe mundial em fabricação complexa e controle preciso de campos magnéticos, é um excelente exemplo da notável experiência trazida à mesa por cientistas e engenheiros dos EUA. "

O ITER será o primeiro dispositivo de fusão a produzir energia líquida em todo o plasma, o que significa que a reação de fusão irá gerar mais energia térmica do que a energia necessária para aquecer o plasma. O ITER também será o primeiro dispositivo de fusão a manter a fusão por longos períodos de tempo. O ITER vai gerar 500 megawatts de energia de fusão térmica, mais de trinta vezes o recorde atual alcançado no tokamak JET no Reino Unido.

O ITER terá muitos recursos que vão muito além dos tokamaks atuais. Embora o ITER não gere eletricidade, será um teste crítico para as tecnologias integradas, materiais, e regimes físicos necessários para a produção comercial de eletricidade baseada na fusão. As lições aprendidas no ITER serão usadas para projetar a primeira geração de usinas de fusão comerciais.

"O ITER desempenha um papel central nas atividades de pesquisa de plasma de queima dos EUA e é a próxima etapa crítica no desenvolvimento da energia de fusão, "Dr. Mauel diz.

O Solenóide Central no contexto

O Magnet Technologies Center da General Atomics foi desenvolvido especificamente para a fabricação do Solenóide Central - o maior e mais poderoso eletroímã supercondutor pulsado já construído - em parceria com a US ITER.

A criação de campos magnéticos em um tokamak requer três arranjos diferentes de ímãs. Bobinas externas ao redor do anel do tokamak produzem o campo magnético toroidal, confinar o plasma dentro do vaso. As bobinas poloidais, um conjunto de anéis empilhados que orbitam o tokamak paralelo à sua circunferência, controlar a posição e a forma do plasma.

No centro do tokamak, o Solenóide Central usa um pulso de energia para gerar uma poderosa corrente toroidal no plasma que flui ao redor do toro. O movimento dos íons com esta corrente, por sua vez, cria um segundo campo magnético poloidal que melhora o confinamento do plasma, bem como gerar calor para fusão. Com 15 milhões de amperes, A corrente de plasma do ITER será muito mais poderosa do que qualquer coisa possível nos tokamaks atuais.

O material supercondutor usado nos ímãs do ITER foi produzido em nove fábricas em seis países. Os 43 quilômetros (26,7 milhas) de supercondutor de nióbio-estanho para o Solenóide Central foram fabricados no Japão.

Juntos, Os ímãs do ITER criam uma gaiola invisível para o plasma que se adapta precisamente às paredes de metal do tokamak.

Fazendo o Solenóide Central

A fabricação do primeiro módulo começou em 2015. Foi precedido por quase quatro anos de colaboração com especialistas da US ITER para projetar o processo e as ferramentas para a fabricação dos módulos.

Cada diâmetro de 4,25 metros (14 pés), 110 toneladas (250, Módulo de 000 libras) requer mais de dois anos de fabricação de precisão de mais de 5 quilômetros (3 milhas) de cabo supercondutor de nióbio-estanho com camisa de aço. O cabo é enrolado com precisão em forma plana, "panquecas" em camadas que devem ser cuidadosamente unidas.

Para criar o material supercondutor dentro do enrolamento do módulo, o módulo deve ser cuidadosamente tratado termicamente em um grande forno, que funciona de forma semelhante a um forno de convecção encontrado em muitas cozinhas. O benefício do forno de convecção é a capacidade de encurtar o processo geral enquanto mantém o "cozimento" uniforme do módulo. Dentro da fornalha, o módulo passa aproximadamente dez dias e meio a 570 ° C (1, 060 ° F) e mais quatro dias a 650 ° C (1200 ° F). Todo o processo leva cerca de cinco semanas.

Após o tratamento térmico, o cabo é isolado para garantir que não ocorram curtos elétricos entre as espiras e as camadas. Durante o isolamento da curva, o módulo precisa ser retirado da mola sem sobrecarregar o condutor, que agora é sensível à tensão devido ao tratamento térmico.

Para realizar o acondicionamento, as curvas do módulo são esticadas como um slinky, permitindo que as cabeças de selagem envolvam o isolamento de fibra de vidro / Kapton ao redor do condutor. Assim que as voltas individuais forem concluídas, as superfícies externas do módulo são então envolvidas com isolamento de aterramento. O isolamento do solo consiste em 25 camadas de fibra de vidro e folhas Kapton. O isolamento de aterramento também deve se ajustar firmemente em torno de características complexas da bobina, como as entradas de hélio.

Após o isolamento, o módulo é colocado em um molde, e 3, 800 litros (1, 000 galões) de resina epóxi são injetados sob vácuo, para saturar os materiais de isolamento e evitar bolhas ou vazios. Quando endurecido a 650 ° C (260 ° F), o epóxi funde todo o módulo em uma única unidade estrutural.

O módulo concluído é submetido a uma série de testes exigentes, colocá-lo nas condições extremas que experimentará durante a operação ITER, incluindo vácuo quase completo e temperaturas criogênicas necessárias para que o ímã se torne supercondutor (4,5 Kelvin, que equivale a cerca de -450 ° F ou -270 ° C).

As lições aprendidas no primeiro módulo Solenóide Central foram aplicadas à fabricação das seis bobinas subsequentes.

"Para aqueles de nós que dedicaram nossas carreiras à pesquisa de fusão, este é inegavelmente um momento emocionante, "disse o Dr. Tony Taylor, Vice-presidente da GA para energia de fusão magnética. “Quando o módulo partir para a sua viagem à França, todos nós poderemos nos orgulhar de uma contribuição muito significativa no caminho para a energia de fusão. "

Remessa para a França

A construção do ITER envolve mais de 1 milhão de componentes, fabricados em todo o mundo. Muitos desses componentes são muito grandes, e os módulos Solenóide Central estão entre os mais pesados. O processo de envio dos imãs massivos requer veículos de transporte pesados ​​especializados. Todo o processo para carregar e proteger o módulo no caminhão com segurança, incluindo preparações para içamento, vai demorar cerca de uma semana.

Depois de carregar, o módulo será enviado para Houston, Texas, onde será colocado em um navio para transporte até o local do ITER. O primeiro módulo irá para o mar no final de julho e chegará à França no final de agosto. O trânsito terrestre para o local do ITER ocorrerá no início de setembro.

"O Fusion tem o potencial de fornecer segurança, energia ambientalmente correta como um substituto realista para os combustíveis fósseis durante este século, "Bigot diz." Com um suprimento global quase ilimitado de combustível, também tem o potencial - em complemento com as energias renováveis ​​- para transformar a geopolítica do fornecimento de energia. Não consigo pensar em nenhuma ilustração melhor dessa ação transformadora do que o projeto ITER, onde nossos parceiros dos EUA trabalham em estreita colaboração com contribuintes da China, Europa, Índia, Japão, Coreia do Sul, e Rússia, como uma única equipe dedicada a alcançar o objetivo comum de um futuro brilhante de energia. "