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O MIT tira uma página de Tony Stark, aproximando-se de um reator de fusão ARC (+ vídeo)

Nos últimos 20 anos, o MIT's Centro de ciência e fusão de plasma (PSFC) tem experimentado a fusão nuclear através do menor dispositivo de fusão nuclear do tipo tokamak (em forma de donut) do mundo - o Alcator C-Mod .

O objetivo? Para produzir o menor reator de fusão do mundo - um que esmaga uma reação de fusão em forma de rosquinha em um raio de 3,3 metros - três dos quais poderiam fornecer energia a uma cidade do tamanho de Boston.



E os pesquisadores do MIT estão chegando perto de seu objetivo, apesar de um corte recente no financiamento federal que pode retardar seu progresso.



As lições já aprendidas com o dispositivo de fusão Alcator C-Mod menor do MIT permitiram aos pesquisadores, incluindo o candidato a Ph.D do MIT Brandon Sorbom e o Diretor do PSFC Dennis Whyte, desenvolver o reator ARC conceitual (acessível, robusto, compacto).

'Queríamos produzir algo que pudesse produzir energia, mas o menor possível', disse Sorbom.



Um reator de fusão ARC em funcionamento usaria 50 megawatts (MW) de energia para produzir 500 MW de energia de fusão, 200 MW dos quais poderiam ser entregues à rede. Isso é o suficiente para fornecer eletricidade a 200.000 pessoas.

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Uma olhada dentro do C-Mod do MIT, que tem apenas 0,68 metros de raio - o menor reator de fusão com o campo magnético mais forte do mundo.

Embora três outros dispositivos de fusão quase do mesmo tamanho do ARC tenham sido construídos nos últimos 35 anos, eles não produziram nada perto de sua potência. O que diferencia o reator do MIT é sua tecnologia de supercondutor, que permitiria criar 50 vezes a energia que realmente consome. (PSFC do MIT no ano passado publicou um artigo no protótipo do reator ARC no jornal revisado por pares ScienceDirect .)



Os poderosos ímãs do reator ARC são modulares, o que significa que podem ser facilmente removidos e o vaso de vácuo central no qual a reação de fusão ocorre pode ser substituído rapidamente; além de permitir atualizações, um recipiente removível significa que um único dispositivo pode ser usado para testar muitos projetos de recipientes a vácuo.

Os reatores de fusão funcionam superaquecendo o gás hidrogênio no vácuo; a fusão dos átomos de hidrogênio forma o hélio. Assim como ocorre com a divisão de átomos nos atuais reatores nucleares de fissão, a fusão libera energia. O desafio com a fusão tem sido confinar o plasma (gás eletricamente carregado) enquanto o aquece com microondas a temperaturas mais altas que o sol.

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Energia Sustentável

O resultado da construção bem-sucedida de um reator ARC seria uma fonte abundante de energia limpa e confiável, porque o combustível necessário - isótopos de hidrogênio - é ilimitado na Terra.

'O que fizemos foi estabelecer a base científica ... para, de fato, mostrar que há um caminho viável a seguir na ciência da contenção desse plasma para produzir energia de fusão líquida - eventualmente', disse Whyte.

A pesquisa de fusão hoje está no limiar da exploração do 'plasma em chamas', através do qual o calor da reação de fusão é confinado dentro do plasma de forma eficiente o suficiente para que a reação seja sustentada por longos períodos de tempo.

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Uma olhada no exterior do dispositivo de fusão nuclear C-Mod do MIT. O projeto C-Mod pavimentou o caminho para um reator ARC conceitual.

Normalmente, o gás como o hidrogênio é feito de moléculas neutras que saltam. Quando você superaquece um gás, no entanto, os elétrons se separam dos núcleos, criando uma sopa de partículas carregadas que sacodem em alta velocidade. Um campo magnético pode então pressionar essas partículas carregadas em uma forma condensada, forçando-as a se fundirem.

O enigma de 40 anos da energia de fusão é que ninguém foi capaz de criar um reator de fusão que produza mais energia do que a necessária para operá-lo. Em outras palavras, é necessária mais energia para manter o plasma quente e gerar energia de fusão do que a energia de fusão que ele produz.

Reator tokamak da Europa em funcionamento chamado JET , detém o recorde mundial de criação de energia; ele gera 16 MW de energia de fusão, mas requer 24 MW de eletricidade para operar.

Os pesquisadores do MIT, no entanto, acreditam que têm a resposta para o problema da energia líquida e ela estará disponível em um pacote relativamente pequeno em comparação com as usinas de fissão nuclear de hoje. Ao tornar o reator menor, também o torna mais barato de construir. Além disso, o ARC seria modular, permitindo que suas muitas partes fossem removidas para reparos ou atualizações, algo não alcançado anteriormente.

O que diferencia o dispositivo de fusão do MIT

O que o MIT sozinho fez foi criar o campo de contenção magnética mais forte do mundo para um reator do seu tamanho. Quanto mais alto for o campo magnético, maior será a reação de fusão e maior será a potência produzida.

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'Estamos altamente confiantes de que seremos capazes de mostrar que este meio pode produzir mais força de fusão do que o necessário para mantê-lo quente', disse Whyte.

MIT Plasma Science and Fusion Center

Uma vista em corte do reator ARC proposto. Graças à nova e poderosa tecnologia de ímã, o reator ARC, muito menor e mais barato, forneceria a mesma potência de saída de um reator muito maior.

Os reatores de fusão teriam várias vantagens sobre os atuais reatores nucleares de fissão. Por um lado, os reatores de fusão produziriam poucos resíduos radioativos. Os reatores de fusão produzem os chamados 'produtos de ativação' com os nêutrons de fusão.

A pequena quantidade de isótopos radioativos produzidos tem vida curta, com meia-vida durando dezenas de anos contra milhares de anos de produtos residuais da fissão, disse Sorbom.

Os reatores também usariam menos energia para operar do que os reatores de fissão.

Embora o Alcator C-Mod atual do MIT não produza eletricidade, ele demonstra os efeitos de um campo de contenção magnética no plasma superaquecido, e por calor estamos falando de cerca de 100 milhões de graus Fahrenheit. Em comparação, nosso Sol é frio de 27 milhões de graus Fahrenheit.

Longe de ser perigoso, o plasma de 100 milhões de graus esfria instantaneamente e retorna ao estado gasoso ao tocar as partes internas do reator. É por isso que um poderoso campo de contenção magnética é necessário.

Assim como um reator nuclear de fissão, um reator de fusão seria essencialmente uma máquina a vapor. O calor da reação de fusão controlada é usado para girar uma turbina a vapor que, por sua vez, aciona geradores elétricos.

O dispositivo de fusão C-Mod atual do MIT usa deutério abundante como combustível de plasma. O deutério é um isótopo de hidrogênio que não é radioativo e pode ser extraído da água do mar.

Para criar um reator ARC conceitual, no entanto, um segundo isótopo de hidrogênio é necessário: o trítio. Isso ocorre porque a taxa de fusão dos isótopos de deutério-deutério é cerca de 200 vezes menor do que a taxa de fusão dos isótopos de deutério-trítio.

O trítio, embora radioativo, tem meia-vida de cerca de 10 anos. Embora o trítio não ocorra naturalmente, ele pode ser criado bombardeando o lítio com nêutrons. Como resultado, pode ser facilmente produzido como uma fonte sustentável de combustível.

Com reatores de fusão, quanto menor, melhor

Embora o reator do MIT possa não se encaixar convenientemente em Peito de Tony Stark (naquela é afinal de contas, um filme), seria o menor reator de fusão com a câmara de contenção magnética mais poderosa da Terra. Isso produziria o poder de oito teslas ou cerca de duas máquinas de ressonância magnética.

Em comparação, no sul da França, sete nações (incluindo os EUA) colaboraram para construir o maior reator de fusão do mundo, o Reator Termonuclear Experimental Internacional (ITER) Tokamak . A câmara de fusão ITER tem um raio de fusão de 6,5 metros e seus ímãs supercondutores produziriam 11,8 Teslas de força.

No entanto, o reator ITER tem cerca de duas vezes o tamanho do ARC e pesa 3.400 toneladas - 16 vezes mais pesado do que qualquer navio de fusão fabricado anteriormente. O reator em forma de D terá entre 11 metros e 17 metros de tamanho e um raio de plasma tokamak de 6,2 metros, quase o dobro do raio de 3,3 metros do ARC.

O conceito para o projeto ITER começou em 1985 e a construção começou em 2013. Tem um preço estimado entre $ 14 bilhões e $ 20 bilhões. Whyte, no entanto, acredita que o ITER acabará sendo muito mais caro, US $ 40 bilhões a US $ 50 bilhões, com base no 'fato de que a contribuição dos EUA' é de US $ 4 bilhões a US $ 5 bilhões, 'e somos 9% parceiros'.

Além disso, o cronograma de conclusão do ITER é 2020, com experimentos completos de fusão de deutério-trítio começando em 2027.

Quando concluído, espera-se que o ITER seja o primeiro reator de fusão a gerar energia líquida, mas essa energia não produzirá eletricidade; simplesmente preparará o caminho para um reator que consiga.

O reator ARC do MIT está projetado para custar US $ 4 bilhões a US $ 5 bilhões de dólares e pode ser concluído em quatro a cinco anos, disse Sorbom.

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O motivo pelo qual o ARC pôde ser concluído mais cedo e com um décimo do custo do ITER é devido ao seu tamanho e ao uso dos novos supercondutores de alto campo que operam em temperaturas mais altas do que os supercondutores típicos.

Normalmente, os reatores de fusão usam supercondutores de baixa temperatura como bobinas magnéticas. As bobinas devem ser resfriadas a cerca de 4 graus Kelvin, ou menos 452 graus Fahrenheit, para funcionar. O dispositivo de fusão tokamak do MIT usa uma fita supercondutora de óxido de cobre e bário de terras raras de 'alta temperatura' (REBCO) para suas bobinas magnéticas, que é muito menos cara e eficiente. Claro, 'alta temperatura' é relativa: as bobinas REBCO operam a 100 graus Kelvin, ou cerca de 280 graus Fahrenheit negativos, mas isso é quente o suficiente para usar nitrogênio líquido abundante como agente de resfriamento.

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Em sua mão esquerda, Brandon Sorbom segura uma fita supercondutora de óxido de bário e cobre (REBCO) usada nas bobinas magnéticas do reator de fusão. Em sua mão direita está um típico cabo elétrico de cobre. O uso da nova fita supercondutora reduz os custos e permite que o MIT use nitrogênio líquido em abundância como agente de resfriamento.

'A tecnologia que permite reduzir o tamanho do dispositivo de fusão é esta nova tecnologia supercondutora', disse Sorbom. 'Embora os supercondutores [REBCO] existam desde o final dos anos 1980 em laboratórios, nos últimos cinco anos mais ou menos as empresas têm comercializado essas coisas em fitas para projetos de grande escala como este.'

Além do tamanho e do custo, a fita REBCO também é capaz de aumentar o poder de fusão em 10 vezes em comparação com a tecnologia supercondutora padrão.

Antes que o ARC do MIT possa ser construído, no entanto, os pesquisadores devem primeiro provar que podem sustentar uma reação de fusão. Atualmente, o reator C-Mod do MIT funciona apenas alguns segundos cada vez que é acionado. Na verdade, ele requer tanta energia que o MIT deve usar um transformador de buffer para armazenar eletricidade suficiente para operá-lo sem escurecer a cidade de Cambridge. E, com um raio de plasma de apenas 0,68 metros, o C-Mod é muito menor do que até mesmo o reator ARC seria

Portanto, antes de construir o reator ARC, o próximo dispositivo de fusão do MIT - o experimento avançado de divertor e tokamak de RF (ADX) - testará vários meios para lidar efetivamente com as temperaturas semelhantes às do Sol sem degradar o desempenho do plasma.

Depois de alcançar um desempenho sustentável, o ARC determinará se a geração de energia líquida é possível. O último obstáculo antes que os reatores de fusão possam fornecer energia à rede é transferir o calor para um gerador.

Federais cortam financiamento

O reator tokamak C-Mod do MIT é uma das três principais instalações de pesquisa de fusão nos EUA, junto com DIII-D na General Atomics e a Atualização do experimento de toro esférico nacional (NSTX-U) no Laboratório de Física de Plasma de Princeton.

IPP, Wolfgang Filser

Um pesquisador trabalha dentro do Wendelstein 7-X (W7-X), um reator experimental de fusão nuclear construído em Greifswald, Alemanha, pelo Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP). O reator, concluído em outubro de 2015, é o maior até hoje.

Jogando uma chave em seus esforços, o MIT soube no início deste ano que o financiamento para seu reator de fusão sob o Departamento de Energia (DOE) está chegando ao fim. A decisão de fechar o Alcator C-Mod foi impulsionada por restrições orçamentárias, de acordo com Edmund Synakowski, diretor associado de ciência para Ciências de Energia de Fusão (FES) do DOE.

No orçamento atual, o Congresso forneceu US $ 18 milhões para o C-Mod do MIT, que apoiará pelo menos cinco semanas de operações em seu último ano e cobrirá os custos associados ao fechamento da instalação, disse Synakowski em uma resposta por e-mail a Mundo de computador . (Os pesquisadores esperam encontrar outras fontes de financiamento para compensar a perda.)

O PSFC tem cerca de 50 alunos de doutorado trabalhando para desenvolver a energia de fusão. Estudantes anteriores deixaram o MIT para abrir suas próprias empresas ou desenvolver projetos acadêmicos fora do MIT.

Garantir que os cientistas e alunos do MIT possam fazer a transição para colaborações em outras instalações de pesquisa de energia de fusão financiadas pelo DOE nos EUA - especialmente as duas instalações principais: DIII-D na General Atomics em San Diego e NSTX-U em Princeton Plasma Physics Laboratório - tem sido 'uma das principais preocupações', disse Synakowski.

Durante o último ano fiscal, a FES trabalhou com o MIT para estabelecer um novo acordo cooperativo de cinco anos, começando em 1º de setembro de 2015, para permitir que seus cientistas fizessem a transição para colaborações financiadas pela FES.

Whyte, no entanto, acredita que a promessa da energia de fusão é importante demais para que a pesquisa diminua.

'A fusão é muito importante para ter apenas um caminho para ela', disse Whyte. 'Meu lema é menor e mais cedo. Se pudermos [criar] a tecnologia que nos permite acessar dispositivos menores e construir uma variedade deles ..., então isso nos permite chegar a um lugar onde temos mais opções disponíveis para desenvolver a fusão de forma mais rápida escala de tempo.'

E, disse Whyte, a base científica para pequenos reatores de fusão tem estabelecido no MIT.

'Fizemos isso apesar do fato de termos o menor dos maiores experimentos em todo o mundo. Na verdade, temos o registro de atingir a pressão desse plasma. A pressão é uma das barreiras fundamentais que você deve superar ', disse Whyte. 'Estamos muito animados com isso.'

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