Os cientistas há muito buscam aproveitar a fusão como uma fonte de energia inesgotável e livre de carbono. Nos últimos anos, A inovadora tecnologia de supercondutores de alta temperatura (HTS) gerou uma nova visão para a obtenção de energia de fusão prática. Esta abordagem, conhecido como o caminho de alto campo para a fusão, visa gerar fusão em dispositivos compactos em uma escala de tempo mais curta e menor custo do que abordagens alternativas.

Um desafio técnico importante para concretizar essa visão, no entanto, vem fazendo com que os supercondutores HTS trabalhem de forma integrada no desenvolvimento de novos, ímãs supercondutores de alto desempenho, que permitirá campos magnéticos mais elevados do que as gerações anteriores de ímãs, e são fundamentais para confinar e controlar as reações plasmáticas.

Agora uma equipe liderada pelo Plasma Science and Fusion Center (PSFC) do MIT e a empresa de spinout do MIT Commonwealth Fusion Systems (CFS), desenvolveu e testou exaustivamente uma tecnologia de cabo HTS que pode ser dimensionada e projetada em ímãs de alto desempenho. A pesquisa da equipe foi publicada em 7 de outubro em Ciência e tecnologia do supercondutor . Os pesquisadores incluíram o professor assistente do MIT e investigador principal Zachary Hartwig; Rui F. Vieira, Chefe Adjunto de Engenharia do PSFC e outro pessoal técnico e de engenharia chave do PSFC; CFS Chief Science Officer Brandon Sorbom Ph.D. '17 e outros engenheiros CFS; e cientistas do CERN em Genebra, Suíça, e no Robinson Research Institute da Victoria University of Wellington, Nova Zelândia.

Este desenvolvimento segue um impulso recente para a via de alto campo, quando 47 pesquisadores de 12 instituições publicaram sete artigos no Journal of Plasma Physics, mostrando que um dispositivo de fusão de alto campo, chamado SPARC, construído com esses ímãs produziria energia líquida - mais energia do que consome - algo nunca antes demonstrado.

"A tecnologia de cabo para SPARC é uma peça importante do quebra-cabeça enquanto trabalhamos para acelerar o cronograma de obtenção da energia de fusão, "diz Hartwig, professor assistente de ciência nuclear e engenharia, e líder da equipe de pesquisa do PSFC. "Se tivermos sucesso no que estamos fazendo e em outras tecnologias, a energia de fusão começará a fazer a diferença na mitigação das mudanças climáticas - não em 100 anos, mas em 10 anos. "

Um super cabo

A tecnologia inovadora descrita no artigo é um cabo supercondutor que conduz eletricidade sem resistência ou geração de calor e que não se degradará sob condições mecânicas extremas, elétrico, e condições térmicas. VIPER com a marca (um feito acrônimo que significa Vacuum Pressure Impregnated, Isolado, Parcialmente transposto, Extrudado, e formados por rolo), consiste em fitas finas de aço produzidas comercialmente e revestidas com composto HTS - óxido de ítrio-bário-cobre - que são embaladas em um conjunto de componentes de cobre e aço para formar o cabo. Refrigerante criogênico, como o hélio supercrítico, pode fluir facilmente através do cabo para remover o calor e mantê-lo frio, mesmo sob condições desafiadoras.

"Um de nossos avanços foi descobrir uma maneira de soldar a fita HTS dentro do cabo, efetivamente tornando-se uma estrutura monolítica onde tudo é termicamente conectado, "diz Sorbom. No entanto, o VIPER também pode ser transformado em voltas e reviravoltas, usando juntas para criar "quase qualquer tipo de geometria, "acrescenta. Isso torna o cabo um material de construção ideal para enrolamento em bobinas capazes de gerar e conter campos magnéticos de enorme força, tais como aqueles necessários para fazer dispositivos de fusão substancialmente menores do que os dispositivos de fusão de energia líquida presentemente imaginados.

Resiliente e robusto

"A principal coisa que podemos fazer com o cabo VIPER é tornar um campo magnético duas a três vezes mais forte no tamanho necessário do que a geração atual de tecnologia de ímã supercondutor, "Hartwig diz. A magnitude do campo magnético em tokamaks desempenha um papel não linear forte na determinação do desempenho do plasma. Por exemplo, a densidade da potência de fusão escala conforme o campo magnético à quarta potência:a duplicação do campo aumenta a potência de fusão em 16 vezes ou, por outro lado, a mesma potência de saída de fusão pode ser alcançada em um dispositivo 16 vezes menor em volume.

"No desenvolvimento de ímãs de alto campo para fusão, Os cabos HTS são um ingrediente essencial, e eles estão faltando, "diz Soren Prestemon, diretor do Programa de Desenvolvimento de Íman dos EUA no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, que não esteve envolvido com esta pesquisa. "VIPER é um avanço na área de arquitetura de cabos - indiscutivelmente o primeiro candidato a ser comprovado viável para fusão - e permitirá o passo crítico à frente para demonstração em um reator de fusão."

A tecnologia VIPER também apresenta uma abordagem poderosa para um problema específico no campo magnético supercondutor, chamado de têmpera, "isso tem aterrorizado os engenheiros desde que eles começaram a construir ímãs supercondutores, "diz Hartwig. Um resfriamento é um aumento drástico de temperatura que ocorre quando os cabos frios não podem mais conduzir corrente elétrica sem qualquer resistência. Quando ocorre o resfriamento, em vez de gerar quase zero calor no estado supercondutor, a corrente elétrica gera aquecimento resistivo substancial no cabo.

"O rápido aumento da temperatura pode fazer com que o ímã potencialmente se danifique ou se destrua se a corrente elétrica não for desligada, "diz Hartwig." Queremos evitar esta situação ou, se não, pelo menos saiba sobre isso o mais rápido e certamente possível. "

A equipe incorporou dois tipos de tecnologia de fibra óptica de detecção de temperatura desenvolvida por colaboradores do CERN e do Robinson Research Institute. As fibras exibiram - pela primeira vez em cabos HTS em escala real e em condições representativas de ímãs de fusão de alto campo magnético - detecção sensível e de alta velocidade de mudanças de temperatura ao longo do cabo para monitorar o início da têmpera.

Outro resultado importante foi a incorporação bem-sucedida de facilmente fabricados, resistência elétrica baixa, e juntas mecanicamente robustas entre cabos VIPER. As juntas supercondutoras são frequentemente complexas, desafiador de fazer, e mais propensos a falhar do que outras partes de um ímã; O VIPER foi projetado para eliminar esses problemas. As juntas VIPER têm a vantagem adicional de serem desmontáveis, o que significa que podem ser desmontados e reutilizados sem impacto no desempenho.

Prestemon observa que a arquitetura inovadora do cabo impacta diretamente os desafios do mundo real na operação de reatores de fusão do futuro. "Em uma instalação comercial de produção de energia de fusão, calor intenso e radiação no interior do reator exigirão substituições de componentes de rotina, "ele diz." Ser capaz de desmontar essas juntas e colocá-las novamente é um passo significativo para tornar a fusão uma proposta econômica. "

Os 12 cabos VIPER que a equipe de Hartwig construiu, correndo entre um e 12 metros de comprimento, foram avaliados com testes de flexão, milhares de ciclos mecânicos "liga-desliga" repentinos, múltiplos ciclos térmicos criogênicos, e dezenas de eventos semelhantes a têmpera para simular o tipo de condições de punição encontradas nos ímãs de um dispositivo de fusão. O grupo completou com sucesso quatro campanhas de teste de várias semanas em quatro meses nas instalações da SULTAN, um centro líder de avaliação de cabos supercondutores operado pelo Swiss Plasma Center, afiliado à Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne na Suíça.

"Esta taxa sem precedentes de testes de cabos HTS na SULTAN mostra a velocidade com que a tecnologia pode ser avançada por uma equipe excepcional com a mentalidade de acelerar, a vontade de correr riscos, e os recursos para executar, "diz Hartwig. É um sentimento que serve de base ao projeto SPARC.

A equipe SPARC continua a melhorar o cabo VIPER e está avançando para o próximo marco do projeto em meados de 2021:"Estaremos construindo uma bobina modelo de várias toneladas que será semelhante ao tamanho de um ímã em escala real para SPARC, "diz Sorbom. Essas atividades de pesquisa continuarão a avançar as tecnologias de ímã fundamentais para SPARC e permitir a demonstração da energia líquida da fusão, uma conquista fundamental que sinaliza a fusão é uma tecnologia de energia viável. "Será um divisor de águas para a energia de fusão, "diz Hartwig.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.