Can tokamak fusão instalações, os dispositivos mais amplamente usados ​​para colher na Terra as reações de fusão que alimentam o sol e as estrelas, ser desenvolvido mais rapidamente para produzir seguro, limpar, e energia virtualmente ilimitada para gerar eletricidade? O físico Jon Menard do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) examinou essa questão em um exame detalhado do conceito de um tokamak compacto equipado com ímãs supercondutores de alta temperatura (HTS). Esses ímãs podem produzir campos magnéticos mais elevados - necessários para produzir e manter as reações de fusão - do que seria possível em uma instalação compacta.

Menard apresentou o artigo pela primeira vez, agora publicado em Transações filosóficas da Royal Society A , para um workshop da Royal Society em Londres que explorou a aceleração do desenvolvimento de energia de fusão produzida por tokamak com tokamaks compactos. "Este é o primeiro artigo que documenta quantitativamente como os novos supercondutores podem interagir com a alta pressão que os tokamaks compactos produzem para influenciar como os tokamaks são otimizados no futuro, "Menard disse." O que tentamos desenvolver foram alguns modelos simples que capturassem aspectos importantes de um design integrado. "

Descobertas "muito significativas"

As descobertas são "muito significativas, "disse Steve Cowley, diretor do PPPL. Cowley observou que "os argumentos de Jon neste e no artigo anterior foram muito influentes no recente relatório da National Academies of Sciences, "que pede um programa dos EUA para desenvolver uma planta piloto de fusão compacta para gerar eletricidade ao menor custo possível." Jon realmente delineou os aspectos técnicos para tokamaks muito menores usando ímãs de alta temperatura, "Cowley disse.

Tokamaks compactos, que pode incluir instalações esféricas, como o National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U) que está em reparo no PPPL e o Mega Ampere Spherical Tokamak (MAST) na Grã-Bretanha, fornecer alguns recursos vantajosos. Os dispositivos, em forma de maçãs com núcleo em vez de tokamaks convencionais semelhantes a donuts, pode produzir plasmas de alta pressão que são essenciais para reações de fusão com campos magnéticos relativamente baixos e econômicos.

Essas reações fundem elementos leves na forma de plasma - o quente, estado carregado de matéria composta de elétrons livres e núcleos atômicos - para liberar energia. Os cientistas procuram replicar este processo e, essencialmente, criar uma estrela na Terra para gerar eletricidade abundante para as casas, fazendas, e indústrias em todo o mundo. A fusão pode durar milhões de anos com poucos riscos e sem gerar gases de efeito estufa.

Estende exame anterior

O estudo de Menard estende seu exame anterior de um projeto esférico que poderia desenvolver materiais e componentes para um reator de fusão e servir como uma planta piloto para produzir energia elétrica. O artigo atual fornece uma análise detalhada das compensações complexas que os experimentos futuros precisarão explorar quando se trata de integrar tokamaks compactos com ímãs HTS. "Percebemos que não há uma inovação única com a qual possamos levar a algum avanço para tornar os dispositivos mais compactos ou econômicos, "Menard disse." Você tem que olhar para todo um sistema integrado para saber se você está obtendo benefícios de campos magnéticos mais elevados. "

O artigo enfoca questões-chave sobre o tamanho do buraco, definida como a "proporção de aspecto, "no centro do tokamak que contém e molda o plasma. Em tokamaks esféricos, este buraco pode ter metade do tamanho do buraco em tokamaks convencionais, correspondendo à forma semelhante a uma maçã com núcleo do design compacto. Embora os físicos acreditem que relações de aspecto mais baixas podem melhorar a estabilidade e o confinamento do plasma, "não saberemos do lado do confinamento até que façamos experimentos no NSXT-U e nas atualizações do MAST, "Menard disse.

As relações de aspecto mais baixas fornecem um ambiente atraente para ímãs HTS, cuja alta densidade de corrente pode produzir os fortes campos magnéticos que a fusão requer dentro do espaço relativamente estreito de um tokamak compacto. Contudo, ímãs supercondutores precisam de blindagem espessa para proteção contra danos e aquecimento do bombardeio de nêutrons, deixando escasso espaço para um transformador induzir corrente no plasma para completar o campo de torção quando o tamanho do dispositivo é reduzido. Para designs de proporção mais baixa, os cientistas teriam, portanto, de desenvolver novas técnicas para produzir parte ou toda a corrente plasmática inicial.

200 a 300 megawatts de energia elétrica

Manter o plasma para gerar os 200 a 300 megawatts de energia elétrica que o jornal examina também exigiria um confinamento mais alto do que os regimes operacionais de tokamak padrão normalmente alcançam. Tal produção de energia pode levar a fluxos desafiadores de nêutrons de fusão que limitariam a vida útil estimada dos ímãs HTS a um a dois anos de operação em potência total. Uma blindagem mais espessa poderia aumentar substancialmente essa vida útil, mas também diminuiria o fornecimento de energia de fusão.

De fato, será necessário um grande desenvolvimento para os ímãs HTS, que ainda não foram construídos em escala. "Provavelmente levará anos para montar um modelo dos elementos essenciais dos requisitos de tamanho do ímã e fatores relacionados em função da proporção de aspecto, "Menard disse.

O resultado final, ele disse, é que a relação de aspecto inferior "realmente vale a pena investigar com base nesses resultados." Os benefícios potenciais de proporções mais baixas, ele notou, incluem a produção de densidade de energia de fusão - a saída crucial de energia de fusão por volume de plasma - que excede a saída para relações de aspecto convencionais. "A fusão precisa se tornar mais atraente, "Menard disse, "portanto, é importante avaliar os benefícios de proporções mais baixas e quais são as compensações."