Para obter energia prática da fusão, o calor extremo do componente "cobertor" do sistema de fusão deve ser extraído com segurança e eficiência. Especialistas em fusão do Oak Ridge National Laboratory estão explorando como pequenos obstáculos impressos em 3D colocados dentro dos tubos estreitos de um sistema de resfriamento personalizado podem ser uma solução para remover o calor do cobertor.
Uma equipe do ORNL está testando essa abordagem em um sistema de loop de fluxo de hélio construído para determinar quais geometrias são as mais eficazes para ajudar o fluxo de gás em movimento contínuo, resfriando as estruturas metálicas. O esforço reúne a experiência em tecnologia de fusão do ORNL com os recursos avançados de fabricação do laboratório.

Em sistemas de fusão, a manta é um componente de absorção de calor dentro do reator, envolvendo o plasma dentro do recipiente a vácuo para proteger outros componentes do calor extremo. A manta tem geralmente entre 0,5 e 1,5 metros de espessura. Além disso, o cobertor desempenha um papel fundamental na captura de energia térmica de nêutrons e na geração de combustível de fusão.

"Estamos abordando uma questão de pesquisa de fusão que tem sido severamente pouco estudada desde a década de 1990, quando os cientistas identificaram pela primeira vez que alguns distúrbios podem aumentar a transferência de calor", disse Charles Kessel, líder da Seção de Ciência, Tecnologia e Engenharia Nuclear de Fusão do ORNL e diretor da Laboratório Virtual de Tecnologia.

Enquanto a instalação internacional de fusão ITER está em montagem e outros dispositivos de fusão estão em operação ou desenvolvimento, continua a existir uma necessidade global de soluções de tecnologia de resfriamento de manta para apoiar uma futura planta piloto de fusão.

Para produzir eletricidade de futuros reatores de fusão, o plasma deve atingir temperaturas mais quentes que o sol. Um sistema de resfriamento é necessário para evitar danos aos componentes vitais do reator, garantindo que o núcleo do dispositivo continue a operar em altas temperaturas e alcance a geração de energia eficiente.

Nas últimas décadas, pesquisadores desenvolveram e testaram ideias de como fazer isso usando sistemas à base de água. Mas o hélio oferece várias vantagens sobre a água no ambiente do reator de fusão de alta temperatura, variando da segurança à compatibilidade do material e alta eficiência de conversão térmica.

"A água não funciona bem com martensítico ferrítico de ativação reduzida, ou RAFM, ​​um tipo de aço que a comunidade de materiais desenvolveu como um possível componente chave para reator de fusão. Sem contar que o uso de água também pode representar um risco de contaminação no caso de um vazamento", disse Kessel.

Além disso, a água tem o potencial de interagir com compostos de lítio usados ​​para produzir trítio, o principal candidato para abastecer reatores de fusão. Também requer pressões muito altas para permanecer líquido em determinadas temperaturas e tem o potencial de causar corrosão.

O hélio tem vantagens significativas sobre a água. A característica mais importante para a fusão é que o hélio pode suportar temperaturas tão altas quanto necessário e é limitado apenas pelos materiais sólidos que o contêm. Além disso, é mais eficiente que água ou vapor ao converter energia térmica em eletricidade, devido à tolerância a altas temperaturas.

Para estudar o papel que o hélio poderia desempenhar como agente de resfriamento, os pesquisadores da fusão ORNL tiveram que superar outro desafio. Embora o resfriamento com hélio tenha sido destacado como uma das necessidades de nível superior para estudos de manta de fusão no processo de planejamento da comunidade de fusão da American Physical Society-Division of Plasma Physics 2019–2020, a infraestrutura para tornar essa pesquisa uma realidade ainda não estava em vigor . É por isso que Kessel e sua equipe decidiram construir o seu próprio.

O circuito de teste - que consiste em uma bomba, uma rede de tubos e uma seção de teste montada em forma de cubo de 10 pés - parece simples, mas requer muito ajuste fino.

"Estamos atualmente testando a montagem quanto a vazamentos e, nas próximas semanas, começaremos a testar a pressão, que aumentará até atingirmos 600 libras por polegada quadrada, ou cerca de 40 atmosferas", disse Kessel.

Um labirinto preciso

O resfriamento com hélio vem com desafios, incluindo sua leveza em peso e densidade, o que dificulta a remoção eficaz do calor pelo gás.

Para resolver esse problema, Kessel e sua equipe desenvolveram uma solução inovadora:um conjunto de tubos especialmente projetados que apresentam pequenos obstáculos impressos em 3D dentro dos tubos para ajudar o hélio a atravessar o sistema de resfriamento e evitar a estagnação. Quando o fluxo de hélio atinge os obstáculos, cria uma turbulência que força o gás em diferentes direções, o que, por sua vez, aumenta sua remoção de calor e mistura.

Mas a forma, o tamanho e a posição desses obstáculos não podem ser deixados ao acaso. Para encontrar o projeto mais eficiente, a equipe reuniu dados geométricos usando simulações computacionais de dinâmica de fluidos.

"Embora a ideia de usar canais de fluxo cheios de obstáculos para aumentar a remoção de calor do hélio tenha flutuado por mais de duas décadas, sempre faltou um estudo sistemático de como diferentes tipos de distúrbios se relacionam com o gás. Esse nível de precisão será necessário ao abordar o projeto de futuros reatores de fusão", disse Kessel.

Com a computação, os cientistas podem desenvolver modelos otimizados de turbulência de hélio capazes de operar efetivamente em reatores de fusão. Até agora, a equipe produziu cerca de 10 padrões de perturbação diferentes. Eles esperam que as geometrias se tornem cada vez mais complexas, por isso estão contando com técnicas avançadas de fabricação para produzir novas seções de teste.

"Estou ansioso para as comparações detalhadas do fluxo de hélio previsto computacionalmente através desses distúrbios, juntamente com a visualização experimental desses padrões de fluxo. Isso levará o estudo do resfriamento de hélio e a compreensão de seus comportamentos de fluxo ao próximo nível, onde as previsões podem ser transformadas com confiança. em projetos reais", disse Kessel. + Explorar mais

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