Dois anos e meio atrás, O MIT firmou um acordo de pesquisa com a empresa startup Commonwealth Fusion Systems para desenvolver um experimento de pesquisa de fusão de próxima geração, chamado SPARC, como um precursor de uma prática, usina de energia livre de emissões.

Agora, depois de muitos meses de pesquisa intensiva e trabalho de engenharia, os pesquisadores encarregados de definir e refinar a física por trás do ambicioso projeto do reator publicaram uma série de artigos resumindo o progresso que fizeram e delineando as principais questões de pesquisa que o SPARC permitirá.

Geral, diz Martin Greenwald, vice-diretor do Plasma Science and Fusion Center do MIT e um dos principais cientistas do projeto, o trabalho está progredindo sem problemas e no bom caminho. Esta série de artigos fornece um alto nível de confiança na física do plasma e nas previsões de desempenho para SPARC, ele diz. Nenhum impedimento ou surpresa inesperado apareceu, e os desafios restantes parecem administráveis. Isso estabelece uma base sólida para a operação do dispositivo, uma vez construído, de acordo com Greenwald.

Greenwald escreveu a introdução de um conjunto de sete artigos de pesquisa de autoria de 47 pesquisadores de 12 instituições e publicada hoje em uma edição especial da Journal of Plasma Physics . Juntos, os artigos descrevem as bases teóricas e empíricas da física para o novo sistema de fusão, que o consórcio espera começar a construir no próximo ano.

SPARC está planejado para ser o primeiro dispositivo experimental a alcançar um "plasma em chamas" - isto é, uma reação de fusão auto-sustentável na qual diferentes isótopos do elemento hidrogênio se fundem para formar o hélio, sem a necessidade de qualquer entrada adicional de energia. Estudar o comportamento deste plasma em chamas - algo nunca antes visto na Terra de forma controlada - é visto como uma informação crucial para o desenvolvimento da próxima etapa, um protótipo funcional de um prático, usina de geração de energia.

Essas usinas de fusão podem reduzir significativamente as emissões de gases de efeito estufa do setor de geração de energia, uma das principais fontes dessas emissões em todo o mundo. O projeto MIT e CFS é um dos maiores projetos de pesquisa e desenvolvimento com financiamento privado já realizado no campo da fusão.

O design SPARC, embora tenha o dobro do tamanho do experimento Alcator C-Mod, agora aposentado do MIT, e semelhante a vários outros reatores de fusão de pesquisa atualmente em operação, seria muito mais poderoso, alcançando desempenho de fusão comparável ao esperado no reator ITER muito maior sendo construído na França por um consórcio internacional. A alta potência em um tamanho pequeno é possibilitada por avanços em ímãs supercondutores que permitem um campo magnético muito mais forte para confinar o plasma quente.

O projeto SPARC foi lançado no início de 2018, e trabalhar em seu primeiro estágio, o desenvolvimento dos ímãs supercondutores que permitiriam a construção de sistemas de fusão menores, tem progredido rapidamente. O novo conjunto de documentos representa a primeira vez que a base física subjacente para a máquina SPARC foi delineada em detalhes em publicações revisadas por pares. Os sete artigos exploram as áreas específicas da física que tiveram que ser mais refinadas, e isso ainda requer pesquisas contínuas para definir os elementos finais do projeto da máquina e os procedimentos operacionais e testes que estarão envolvidos à medida que o trabalho progride em direção à usina.

Os artigos também descrevem o uso de cálculos e ferramentas de simulação para o projeto de SPARC, que foram testados em muitos experimentos em todo o mundo. Os autores usaram simulações de ponta, executado em supercomputadores poderosos, que foram desenvolvidos para auxiliar no design do ITER. A grande equipe multi-institucional de pesquisadores representada no novo conjunto de artigos teve como objetivo trazer as melhores ferramentas de consenso para o projeto da máquina SPARC para aumentar a confiança de que ela cumprirá sua missão.

A análise feita até agora mostra que a produção de energia de fusão planejada do reator SPARC deve ser capaz de atender às especificações de projeto com uma margem confortável de sobra. Ele é projetado para atingir um fator Q - um parâmetro-chave que denota a eficiência de um plasma de fusão - de pelo menos 2, essencialmente significando que duas vezes mais energia de fusão é produzida do que a quantidade de energia bombeada para gerar a reação. Essa seria a primeira vez que um plasma de fusão de qualquer tipo produziu mais energia do que consumiu.

Os cálculos neste ponto mostram que SPARC poderia realmente atingir uma razão Q de 10 ou mais, de acordo com os novos jornais. Embora Greenwald avise que a equipe quer ter cuidado para não prometer demais, e muito trabalho resta, os resultados até agora indicam que o projeto pelo menos alcançará seus objetivos, e, especificamente, atenderá seu objetivo principal de produzir um plasma em combustão, em que o autoaquecimento domina o equilíbrio de energia.

As limitações impostas pela pandemia COVID-19 retardaram um pouco o progresso, mas não muito, ele diz, e os pesquisadores estão de volta aos laboratórios sob novas diretrizes operacionais.

Geral, "ainda estamos planejando o início da construção por volta de junho de 21, "Greenwald diz." O esforço de física está bem integrado com o projeto de engenharia. O que estamos tentando fazer é colocar o projeto na base física mais firme possível, para termos certeza de como será o desempenho, e, em seguida, fornecer orientação e responder a perguntas para o projeto de engenharia à medida que ele avança. "

Muitos dos detalhes ainda estão sendo trabalhados no projeto da máquina, cobrindo as melhores maneiras de obter energia e combustível para o dispositivo, tirando a energia, lidar com quaisquer transientes térmicos ou de energia repentinos, e como e onde medir os parâmetros-chave para monitorar a operação da máquina.

Até aqui, houve apenas pequenas alterações no design geral. O diâmetro do reator foi aumentado em cerca de 12 por cento, mas pouca coisa mudou, Greenwald diz. "Sempre há a questão de um pouco mais disso, um pouco menos disso, e há muitas coisas que pesam nisso, problemas de engenharia, tensões mecânicas, tensões térmicas, e há também a física - como você afeta o desempenho da máquina? "

A publicação desta edição especial da revista, ele diz, "representa um resumo, um instantâneo da base da física tal como está hoje. "Embora os membros da equipe tenham discutido muitos aspectos dela em reuniões de física, "esta é a nossa primeira oportunidade de contar a nossa história, faça uma revisão, obtenha o selo de aprovação, e divulgá-lo na comunidade. "

Greenwald diz que ainda há muito a aprender sobre a física da queima de plasmas, e uma vez que esta máquina está instalada e funcionando, informações importantes podem ser obtidas que ajudarão a pavimentar o caminho para o comercial, dispositivos de fusão de produção de energia, cujo combustível - os isótopos de hidrogênio deutério e trítio - pode ser disponibilizado em suprimentos virtualmente ilimitados.

Os detalhes do plasma em chamas "são realmente novos e importantes, "ele diz." A grande montanha que temos que superar é entender este estado de autoaquecimento de um plasma. "

Geral, Greenwald diz, o trabalho que foi feito na análise apresentada neste pacote de documentos "ajuda a validar nossa confiança de que cumpriremos a missão. Não encontramos nada onde dizemos, 'Oh, isso é prever que não chegaremos onde queremos. "Em suma, ele diz, "uma das conclusões é que as coisas ainda estão no bom caminho. Acreditamos que vai funcionar."