Poder de fusão, que ilumina o sol e as estrelas, requer temperaturas de milhões de graus para fundir as partículas dentro do plasma, uma sopa de gás carregado que alimenta as reações de fusão. Aqui na Terra, cientistas desenvolvendo a fusão como um seguro, Uma fonte limpa e abundante de energia deve produzir temperaturas mais altas do que o centro do sol em instalações em formato de donut chamadas tokamaks. Grande parte da energia necessária para atingir essas temperaturas vem de feixes de alta energia que os físicos bombeiam para o plasma por meio de dispositivos conhecidos como injetores de feixe neutro.

No Departamento de Energia dos EUA (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), os engenheiros projetaram e entregaram recentemente um conjunto de novos componentes inovadores para os injetores de feixe neutro que aquecem o plasma no DIII-D National Fusion Facility, o tokamak que a General Atomics opera para o DOE em San Diego.

As peças redesenhadas, chamados de escudos polares, proteger os ímãs nos injetores das partículas energéticas do feixe e irá substituir as unidades que derreteram e racharam durante os experimentos de fusão anteriores, resultando em vazamentos de água. Os ímãs redirecionam núcleos atômicos carregados, ou íons, nos feixes para um despejo de íons dentro dos injetores, permitindo que apenas átomos neutros entrem no plasma.

"Eles tinham um problema que precisava ser consertado. No final, encontramos uma solução que resolveu o problema, "disse o engenheiro de PPPL Irving Zatz, quem supervisionou o design, análise e entrega dos escudos. Ele se juntou aos engenheiros Andrei Khodak, que executou análises de computador para verificar o novo design, e Alex Nagy, que lidera as colaborações de engenharia PPPL no DIII-D. O suporte para este trabalho vem do DOE Office of Fusion Energy Sciences.

As novas unidades são semelhantes às blindagens que o PPPL entregou ao DIII-D para instalação no primeiro dos quatro injetores da instalação em 2014. Após meses de uso dessas blindagens, "os resultados da inspeção não mostraram sinais de desgaste ou danos, "Nagy disse.

Suporta cargas de calor mais altas

O novo design irá suportar o aumento acentuado das cargas de calor que os injetores estão programados para produzir. Os planos prevêem uma atualização na potência máxima do injetor de 2,6 megawatts em pulsos de três segundos para 3,2 megawatts em pulsos que durarão o dobro.

Os novos escudos consistem em meia polegada de espessura, placas de cobre com cerca de cinco pés de comprimento equipadas com inserções do disco rígido, molibdênio de metal prateado no centro das placas, a área que absorverá mais energia do feixe. As inserções, que resistem ao derretimento em altas temperaturas, são uma inovação de design fundamental originalmente proposta por Tim Scoville da General Atomics, a cabeça de operações do feixe neutro em DIII-D.

Cada novo escudo contém 10 placas de molibdênio que são ranhuradas como um quebra-cabeça, com uma peça-chave de cobre segurando-os no lugar. Esta configuração irá acomodar diferentes graus de expansão de calor e outras condições, e permitirá que as telhas de molibdênio sejam facilmente desmontadas e substituídas, sem desmontagem do injetor.

Khodak usou um código de software para examinar como os escudos resistiam a fatores que iam desde a distribuição de cargas de calor até as tensões no cobre e molibdênio que uma maior potência irá exercer. Os resultados mostraram que o projeto atendeu ou excedeu todos os requisitos de desempenho.

"O original, placas totalmente de cobre normalmente falham após cerca de cinco anos de serviço, "Nagy disse." A vida do novo design de proteção de pólo é desconhecida, mas deve aumentar significativamente o tempo até a falha desse componente crítico. A diferença entre os resguardos antigos e os novos é como comparar pneus velhos com tela polarizada a novos radiais com correia de aço. "

Os protetores de pólo não são as únicas peças que o PPPL está atualizando nos injetores de feixe neutro DIII-D. O laboratório projetou novos colimadores, que alinham os neutros em vigas paralelas, e calorímetros, que medem o calor, para as máquinas. A fabricação está em andamento e os componentes devem ser entregues no outono.

PPPL, no campus Forrestal da Universidade de Princeton, em Plainsboro, N.J., dedica-se a criar novos conhecimentos sobre a física dos plasmas - ultra-quente, gases carregados - e para desenvolver soluções práticas para a criação de energia de fusão. O Laboratório é administrado pelo Office of Science da Universidade do Departamento de Energia dos EUA, que é o maior apoiador da pesquisa básica nas ciências físicas nos Estados Unidos, e está trabalhando para enfrentar alguns dos desafios mais urgentes de nosso tempo. Para maiores informações, visite science.energy.gov.