Um exercício de classe no MIT, auxiliado por pesquisadores da indústria, levou a uma solução inovadora para um dos desafios de longa data enfrentados pelo desenvolvimento de usinas de energia de fusão práticas:como se livrar do excesso de calor que poderia causar danos estruturais à usina.

A nova solução foi possibilitada por uma abordagem inovadora para reatores de fusão compactos, usando ímãs supercondutores de alta temperatura. Este método formou a base para um novo programa de pesquisa massivo lançado este ano no MIT e a criação de uma empresa independente para desenvolver o conceito. O novo design, ao contrário das usinas de fusão típicas, permitiria abrir a câmara interna do dispositivo e substituir componentes críticos; esta capacidade é essencial para o mecanismo de drenagem de calor recentemente proposto.

A nova abordagem é detalhada em um artigo na revista Engenharia e Design de Fusão , de autoria de Adam Kuang, um estudante de pós-graduação dessa classe, junto com outros 14 alunos do MIT, engenheiros da Mitsubishi Electric Research Laboratories e Commonwealth Fusion Systems, e o professor Dennis Whyte, diretor do Plasma Science and Fusion Center do MIT, quem ensinou a classe.

Em essência, Whyte explica, o derramamento de calor de dentro de uma usina de fusão pode ser comparado ao sistema de escapamento de um carro. No novo design, o "tubo de escape" é muito mais longo e mais largo do que é possível em qualquer um dos projetos de fusão atuais, tornando-o muito mais eficaz na eliminação do calor indesejado. Mas a engenharia necessária para tornar isso possível exigiu uma grande quantidade de análises complexas e a avaliação de muitas dezenas de alternativas de design possíveis.

Domando plasma de fusão

A fusão aproveita a reação que alimenta o próprio sol, mantendo a promessa de eventualmente produzir produtos limpos, eletricidade abundante usando um combustível derivado da água do mar - deutério, uma forma pesada de hidrogênio, e lítio - portanto, o suprimento de combustível é essencialmente ilimitado. Mas décadas de pesquisa para essas usinas produtoras de energia ainda não levaram a um dispositivo que produz tanta energia quanto consome, muito menos aquele que realmente produz uma produção líquida de energia.

No início deste ano, Contudo, A proposta do MIT para um novo tipo de planta de fusão - junto com vários outros projetos inovadores que estão sendo explorados por outros - finalmente fez com que o objetivo do poder de fusão prático parecesse ao nosso alcance. Mas vários desafios de design ainda precisam ser resolvidos, incluindo uma forma eficaz de dissipar o calor interno do superaquecido, material eletricamente carregado, chamado plasma, confinado dentro do dispositivo.

A maior parte da energia produzida dentro de um reator de fusão é emitida na forma de nêutrons, que aquece um material em torno do plasma de fusão, chamado de cobertor. Em uma usina de produção de energia, essa manta aquecida, por sua vez, seria usada para acionar uma turbina geradora. Mas cerca de 20 por cento da energia é produzida na forma de calor no próprio plasma, que de alguma forma deve ser dissipado para evitar que derreta os materiais que formam a câmara.

Nenhum material é forte o suficiente para suportar o calor do plasma dentro de um dispositivo de fusão, que atinge temperaturas de milhões de graus, assim, o plasma é mantido no lugar por poderosos ímãs que o impedem de entrar em contato direto com as paredes internas da câmara de fusão em forma de donut. Em projetos de fusão típicos, um conjunto separado de ímãs é usado para criar uma espécie de câmara lateral para drenar o excesso de calor, mas esses chamados divertores são insuficientes para a alta temperatura no novo, planta compacta.

Uma das características desejáveis ​​do projeto ARC é que ele produziria energia em um dispositivo muito menor do que seria necessário em um reator convencional com a mesma saída. Mas isso significa mais energia confinada em um espaço menor, e, portanto, mais calor para se livrar.

"Se não fizéssemos nada sobre a exaustão de calor, o mecanismo iria se despedaçar, "diz Kuang, quem é o autor principal do artigo, descrevendo o desafio que a equipe enfrentou - e finalmente resolveu.

Trabalho interno

Em projetos de reatores de fusão convencionais, as bobinas magnéticas secundárias que criam o divertor ficam fora das primárias, porque simplesmente não há como colocar essas bobinas dentro das bobinas sólidas primárias. Isso significa que as bobinas secundárias precisam ser grandes e poderosas, para fazer seus campos penetrarem na câmara, e, como resultado, eles não são muito precisos em como controlam a forma do plasma.

Mas o novo design originado do MIT, conhecido como ARC (para avançado, robusto, e compacto) possui ímãs embutidos em seções para que possam ser removidos para manutenção. Isso torna possível acessar todo o interior e colocar os ímãs secundários dentro das bobinas principais ao invés de fora. Com este novo arranjo, "apenas movendo-os para mais perto [do plasma], eles podem ter seu tamanho significativamente reduzido, "diz Kuang.

Na turma de pós-graduação de um semestre 22.63 (Princípios de Engenharia de Fusão), os alunos foram divididos em equipes para abordar diferentes aspectos do desafio de rejeição de calor. Cada equipe começou fazendo uma pesquisa completa da literatura para ver quais conceitos já haviam sido tentados, em seguida, eles fizeram um brainstorming para chegar a vários conceitos e, gradualmente, eliminaram aqueles que não deram certo. Aqueles que prometiam foram submetidos a cálculos e simulações detalhadas, Sediada, em parte, em dados de décadas de pesquisa em dispositivos de fusão de pesquisa, como Alcator C-Mod do MIT, que foi aposentado há dois anos. O cientista C-Mod Brian LaBombard também compartilhou ideias sobre novos tipos de divertores, e dois engenheiros da Mitsubishi também trabalharam com a equipe. Vários dos alunos continuaram trabalhando no projeto após o término da aula, em última análise, levando à solução descrita neste novo artigo. As simulações demonstraram a eficácia do novo design que eles escolheram.

"Foi muito emocionante, o que descobrimos, "Whyte diz. O resultado são divertores que são mais longos e maiores, e isso mantém o plasma mais precisamente controlado. Como resultado, eles podem lidar com as cargas de calor intensas esperadas.

"Você quer fazer o 'tubo de escape' o maior possível, "Whyte diz, explicando que a colocação dos ímãs secundários dentro dos primários torna isso possível. "É realmente uma revolução para o design de uma usina de energia, ", diz ele. Não só os supercondutores de alta temperatura usados ​​nos ímãs do projeto ARC permitem um compacto, usina de alta potência, ele diz, "mas também fornecem muitas opções" para otimizar o design de diferentes maneiras, incluindo, acontece que, este novo design divertor.

Daqui para frente, agora que o conceito básico foi desenvolvido, há muito espaço para desenvolvimento e otimização adicionais, incluindo a forma exata e a colocação desses ímãs secundários, a equipe diz. Os pesquisadores estão trabalhando para desenvolver ainda mais os detalhes do projeto.

"Isso está abrindo novos caminhos no pensamento sobre divertores e gerenciamento de calor em um dispositivo de fusão, "Whyte diz.