Síntese e fissão: qual é a diferença?
A fusão e a fissão são processos diferentes de produção de energia nuclear.
Esta energia produzida pela energia nuclearfissão, é capturado dentro de reatores e usado para aquecer água a vapor, que gira uma turbina e gera eletricidade. Mas esse processo cria resíduos que podem permanecer radioativos por milhões de anos. A situação nos reatores de Fukushima e Chernobyl mostrou como isso poderia acabar.
Por outro lado, a fusão termonuclear não levarápara a formação de resíduos nucleares de longo prazo, e os materiais necessários podem ser reciclados em 100 anos. Também não há perigo de acidente, pois o processo é baseado em reações de alta temperatura que param em poucos segundos em caso de mau funcionamento do equipamento. E como essas reações usam uma quantidade relativamente pequena de combustível, não há perigo de usá-las para produzir armas nucleares.
No campo da pesquisa de fusão nuclear, existemcientistas que se esforçam por um objetivo - recriar os processos que o próprio Sol usa para produzir grandes quantidades de energia. Forças gravitacionais enormes prendem o hidrogênio da atmosfera do Sol e usam calor e pressão intensos para converter o gás em plasma. Nele, os núcleos colidem em alta velocidade, formando hélio e liberando energia.
Outro fator chave é a gravidade.As colossais forças gravitacionais do Sol são aproximadamente 28 vezes maiores do que aqui na Terra. Os cientistas tiveram de ser criativos na limitação do combustível para as reações de fusão nuclear. A abordagem mais preferida tal como está agora é usar campos magnéticos, que podem ser usados para reter duas formas pesadas de hidrogênio, deutério e trítio, em um dispositivo chamado tokamak.
Tokamak - grandes esperanças
A palavra “tokamak” em si não é nadanão denota é apenas uma abreviatura, que mais tarde se tornou uma palavra completa. É utilizado não só na Rússia, mas também no estrangeiro, pois foi no nosso país que esta coisa foi inventada e foi aqui que se desenvolveram activamente durante muito tempo.
Tokamak é uma câmara toroidal com bobinas magnéticas. Isso é tudo.
A essência de um tokamak se resume em criarcampo magnético no qual ocorrerá a reação de fusão termonuclear. Como a temperatura de tal reação não é apenas alta, mas literalmente proibitiva (vários milhões de graus Celsius), ela não pode ser realizada simplesmente dentro de algum tipo de câmara – ela derreterá muito antes de a temperatura operacional ser atingida.
Esta temperatura é alcançada devido ao fato de queDentro do tokamak, a substância está no quarto estado de agregação, que é alcançado em temperaturas tão altas. Este estado é chamado de plasma. Na Terra, o plasma no ambiente natural é encontrado apenas em relâmpagos e na aurora boreal, no espaço literalmente tudo consiste nele - estrelas, nebulosas, espaço interestelar.
Dentro do prédio que abrigará o maior reator tokamak do mundo.
O primeiro a propor o uso de termonuclearessíntese, inclusive para fins industriais, foi o físico soviético O.A. Lavrentyev. Ele fez isso em seu trabalho de 1950. Foi com seu trabalho que se iniciou o estudo das formas de utilização da fusão termonuclear.
Um ano depois, outros físicos – A.D.Sakharov e I.E. Tamm – desenvolveu a ideia e disse que a reação termonuclear deveria ser mantida dentro de uma câmara toroidal fechada. Para criar um campo magnético dentro do tokamak, ele é composto de seções com bobinas enroladas em seu interior. Como eles percorrem toda a extensão da câmara e criam algo como um túnel fechado, o campo magnético resultante é chamado toroidal. Esta é a área de trabalho da instalação.
Dentro do Tokamak Supercondutor Experimental Avançado da China (EAST).
Quando a câmara está cheia, criaum campo elétrico de vórtice que mantém o plasma dentro da câmara e ao mesmo tempo o aquece, levando-o à mesma temperatura de vários milhões de graus.
Como o campo e o aquecimento são criados devido a aumentando a corrente no indutor, mas não pode aumentar indefinidamente, a vida útil do plasma em estado estável ainda não excede vários segundos. Esta é a principal razão pela qual ainda não podemos utilizar os tokamaks como fonte de produção de energia industrial. Existem maneiras de resolver esse problema, incluindo o uso de radiação de micro-ondas, mas até o momento o trabalho nessa direção ainda está em andamento.
Muitas pessoas trabalhando para conseguir issoobjetivos, têm grandes esperanças para o dispositivo da próxima geração que está atualmente em construção. O ITER, ou Reator Termonuclear Experimental Internacional, é um dos projetos energéticos mais ambiciosos que a humanidade já empreendeu, envolvendo cientistas e engenheiros de 35 países. Quando concluído, em 2025, será o maior dispositivo de fusão nuclear do mundo.
Embora a maioria das ambições da humanidadeno domínio da fusão nuclear associada ao ITER, existem outras oportunidades interessantes. Incluindo outro reator termonuclear com confinamento magnético - um stellarator.
Stellator - imitando uma estrela
Assim como os tokamaks, os stellarators são projetados paraContendo fluxos de plasma em uma câmara fechada usando bobinas magnéticas, mas com algumas diferenças importantes. Em vez de um formato de donut bonito e simétrico, o stellarator envia plasma em círculos irregulares que giram e giram usando uma série incrivelmente complexa de bobinas magnéticas. Isto parece contra-intuitivo, mas na verdade cria maior estabilidade no plasma devido às diferenças na corrente interna, escreve o New Atlas.
Por si só, um stellarator é um tipo de reator paraimplementação de fusão termonuclear controlada. O nome vem de lat. stella - estrela, indica a similaridade dos processos que ocorrem no stellarator e dentro das estrelas. Inventado pelo físico americano L. Spitzer em 1950, o primeiro protótipo foi construído sob sua liderança no ano seguinte como parte do projeto secreto Matterhorn.
Wendelstein 7-X (W7-X) - experimentalinstalação para pesquisa de plasma de alta temperatura, localizada na cidade de Greifswald na Alemanha. A sua construção foi realizada pelo Instituto Max Planck de Física dos Plasmas de 2005 a 2014. O objetivo da instalação é testar a adequação industrial de um reator de fusão do tipo stellarator, bem como pesquisar e aprimorar componentes técnicos e tecnologias no campo da fusão termonuclear controlada.
Em tais reatores de fusãoa câmara toroidal tem uma forma complexa e sinuosa, assim como os campos magnéticos criados ao seu redor. Esse design incomum, segundo a teoria, ajuda esses reatores a operar em modo contínuo, gastando muito menos energia do que os reatores “pares” convencionais. reatores do tipo tokamak. Além disso, a configuração complexa do campo magnético permite conter de forma confiável o plasma de alta temperatura, o que reduz o risco de seu contato com as paredes internas da câmara do reator. Contudo, tais vantagens têm um preço, que reside na complexidade de projetar e fabricar o próprio reator.
Em dezembro de 2017, o W7-X completou seu segundofase de experimentos em que foram utilizados sistemas aprimorados de aquecimento e medição de plasma. O principal elemento testado na segunda etapa foi o sistema de remoção de calor, cujo funcionamento não deve afetar o cordão de plasma. Esta ferramenta consiste em uma cadeia de ímãs que formam campos magnéticos complexos, forçando o plasma a passar próximo a 10 placas dissipadoras de calor. Qualquer desvio dos campos magnéticos acarreta uma deflexão do cordão de plasma, o que leva ao superaquecimento das placas e ao resfriamento excessivo e à destruição do cordão de plasma.
O trabalho dos eletroímãs que criam o campo magnético é controlado por um sistema de controle complexo que usa muitos feedbacks.
Uma vez que stellarators não exigem tantoA corrente interna oferece maior estabilidade do que os tokamaks, Hole diz que eles podem ser mais adequados para alimentar a rede. Mas com a condição de que a infraestrutura incrivelmente complexa possa ser construída de uma forma econômica e com as mesmas restrições, o que não é o caso em sua forma atual.
A retenção inercial é uma abordagem radical
Além da região de confinamento magnético,outras abordagens à fusão nuclear que se enquadram no chamado confinamento inercial. A fusão termonuclear controlada por inércia é um dos tipos de fusão termonuclear, na qual o combustível termonuclear é mantido por suas próprias forças inerciais. A ideia é aquecer rápida e uniformemente o combustível termonuclear, para que o plasma resultante tenha tempo de reagir antes de se espalhar. Assim, ao usar este princípio, o reator será pulsado. Esta nova linha de pesquisa em fusão nuclear envolve o uso de laser direcionado com muita precisão ou feixes de íons para aquecer rapidamente uma pelota de combustível que será composta de deutério e trítio.
A ideia é que o impacto sobre essespellets de combustível, um aquecimento tão repentino e violento causará enormes forças compressivas que desencadearão uma reação em cadeia através das camadas de material em que a fusão nuclear pode ocorrer, liberando enormes quantidades de energia. A HB11 Energy, com sede na Austrália, está procurando acabar com a receita tradicional de deutério e trítio em favor de uma abordagem não radioativa que inclui hidrogênio e boro-b11.
Pelota pequena de combustível de hidrogênio e borocolocado em uma grande esfera e atingido por dois lasers simultaneamente para desencadear uma reação de fusão que gera eletricidade diretamente sem o uso de turbinas a vapor.
A empresa afirma evitar muitos problemas,que há décadas buscam a fusão nuclear, em grande parte porque não tentam aquecer seu combustível a temperaturas absurdamente altas. Ele expõe seus pellets de combustível a dois lasers, um para criar um campo de confinamento magnético e o segundo para desencadear uma reação em cadeia de fusão de hidrogênio e boro que cria partículas que podem, por sua vez, gerar uma corrente elétrica.
Segundo especialistas, esta corrente pode ser quasediretamente ao sistema de energia existente. Não haveria necessidade de gerador de turbina a vapor ou trocador de calor e não haveria risco de derretimento. A equipa está muito optimista em relação à sua tecnologia e afirma que as suas experiências mostram velocidades de reacção mil milhões de vezes melhores do que o previsto e acredita que o seu plano de desenvolvimento será muito mais rápido e barato do que outras abordagens.
A energia que é liberada como resultado de talreação, é capaz de aquecer o combustível circundante e, se a temperatura for alta o suficiente, ele também pode iniciar uma reação termonuclear. O objetivo de tais instalações é a capacidade de atingir "combustão" termonuclear, quando o processo de liberação de calor provoca uma reação de ligação que afeta uma parte significativa do combustível. Uma bola de combustível típica tem o tamanho de uma cabeça de alfinete e contém cerca de 10 miligramas de combustível. Na prática, apenas uma pequena fração desse combustível pode ser usada em uma reação termonuclear, mas se todo esse combustível for usado, ele vai liberar energia equivalente à queima de um barril de petróleo.
“Esta é uma ciência interessante”, disse Matthew Houle,especialista em fusão nuclear e pesquisador da Universidade Nacional Australiana familiarizado com o HB11 e pesquisadores que trabalham no projeto no New Atlas - Mas eu não diria que há escala mais rápida que o ITER ou o confinamento magnético toroidal."
De acordo com Houle, o principal problema com talabordagens é que essas reações ocorrem num piscar de olhos. Para que a tecnologia seja aplicada a uma central eléctrica prática, ela deve evoluir de reacções únicas e de curto prazo para algo que produza um fornecimento constante de energia, como um incêndio.
Z-pinch - azarão
Outro exemplo interessante da abordagem inercialO confinamento à fusão nuclear é o aperto Z. Na pesquisa de energia de fusão, é um tipo de sistema de confinamento de plasma que usa uma corrente elétrica no plasma para criar um campo magnético que o comprime.
Em outras palavras, em vez de usarbobinas magnéticas grandes e complexas para manter os fluxos de plasma no lugar, uma abordagem que utiliza um campo eletromagnético gerado dentro do próprio plasma. Podemos dizer que este é o azarão na corrida da fusão nuclear. Desde a sua criação na década de 1950, o efeito pitada prometeu uma configuração mais simples do que tokamaks ou stellarators. Mas, como esses dispositivos, também; sujeito à instabilidade no plasma que se estende além das linhas do campo magnético.
Sistema de retenção Z-pinch na Universidade de Washington
Cientistas da Universidade de Washington criaramuma maneira de suavizar essas protuberâncias é ajustando a hidrodinâmica do plasma. Embora seja uma solução promissora para o problema de energia, como a abordagem do laser HB11, o Z-pinch ainda enfrenta grandes desafios quando se trata de fornecer energia contínua. O problema é que também é impulsivo por natureza.
Qual é o resultado final?
ITER, confinamento magnético toroidale o design do tokamak são de longe os mais avançados. No entanto, os investigadores da fusão nuclear utilizam abordagens diferentes, cada uma com as suas vantagens e desvantagens. Infelizmente, independentemente da abordagem, o processo ainda requer mais energia do que retorna. Mas resolver estes problemas de engenharia e física para produzir energia limpa, por mais difícil que seja, será uma das maiores conquistas da humanidade.
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