Hoje, muitos países participam na investigação termonuclear. Os líderes são a União Europeia, os Estados Unidos, a Rússia e o Japão, enquanto os programas na China, no Brasil, no Canadá e na Coreia estão a expandir-se rapidamente. Inicialmente, os reactores de fusão nos EUA e na URSS estavam associados ao desenvolvimento de armas nucleares e permaneceram classificados até à conferência Átomos para a Paz, que teve lugar em Genebra em 1958. Após a criação do tokamak soviético, a investigação sobre fusão nuclear tornou-se “grande ciência” na década de 1970. Mas o custo e a complexidade dos dispositivos aumentaram ao ponto em que a cooperação internacional se tornou o único caminho a seguir.

Reatores termonucleares no mundo

Desde a década de 1970, o uso comercial da energia de fusão tem sido continuamente adiado em 40 anos. No entanto, em últimos anos Muita coisa aconteceu que permitirá encurtar esse período.

Vários tokamaks foram construídos, incluindo o JET europeu, o MAST britânico e o reator de fusão experimental TFTR em Princeton, EUA. O projecto internacional ITER está actualmente em construção em Cadarache, França. Será o maior tokamak quando começar a operar em 2020. Em 2030, a China construirá o CFETR, que ultrapassará o ITER. Enquanto isso, a China está conduzindo pesquisas sobre o tokamak supercondutor experimental EAST.

Outro tipo de reator de fusão, os stellators, também são populares entre os pesquisadores. Um dos maiores, o LHD, começou a trabalhar no Instituto Nacional Japonês em 1998. É usado para encontrar a melhor configuração magnética para confinamento de plasma. O Instituto Alemão Max Planck conduziu pesquisas no reator Wendelstein 7-AS em Garching entre 1988 e 2002, e atualmente no reator Wendelstein 7-X, cuja construção levou mais de 19 anos. Outro stellarator TJII está em operação em Madrid, Espanha. Nos EUA, Laboratório de Princeton (PPPL), onde foi construído o primeiro reator de fusão deste tipo em 1951, interrompeu a construção do NCSX em 2008 devido a custos excessivos e falta de financiamento.

Além disso, avanços significativos foram feitos na pesquisa inercial fusão termonuclear. A construção da Instalação Nacional de Ignição (NIF) de US$ 7 bilhões no Laboratório Nacional Livermore (LLNL), financiada pela Administração Nacional de Segurança Nuclear, foi concluída em março de 2009. O Laser Mégajoule francês (LMJ) iniciou suas operações em outubro de 2014. Os reatores de fusão usam lasers que fornecem cerca de 2 milhões de joules de energia luminosa em alguns bilionésimos de segundo para um alvo de alguns milímetros de tamanho para desencadear uma reação de fusão nuclear. A missão principal do NIF e do LMJ é a pesquisa em apoio aos programas nucleares militares nacionais.

ITER

Em 1985, a União Soviética propôs construir um tokamak de próxima geração em conjunto com a Europa, o Japão e os Estados Unidos. O trabalho foi realizado sob os auspícios da AIEA. Entre 1988 e 1990, os primeiros projetos do Reator Termonuclear Experimental Internacional ITER, que também significa “caminho” ou “jornada” em latim, foram criados para provar que a fusão poderia produzir mais energia do que absorvia. O Canadá e o Cazaquistão também participaram, mediados respectivamente pela Euratom e pela Rússia.

Seis anos depois, o conselho do ITER aprovou o primeiro projeto abrangente de reator baseado na física e na tecnologia estabelecidas, custando US$ 6 bilhões. Em seguida, os Estados Unidos retiraram-se do consórcio, o que os obrigou a reduzir os custos pela metade e a alterar o projeto. O resultado é o ITER-FEAT, que custa 3 mil milhões de dólares, mas consegue uma resposta auto-sustentável e um equilíbrio de poder positivo.

Em 2003, os Estados Unidos voltaram a aderir ao consórcio e a China anunciou o seu desejo de participar. Como resultado, em meados de 2005, os parceiros concordaram em construir o ITER em Cadarache, no sul de França. A UE e a França contribuíram com metade dos 12,8 mil milhões de euros, enquanto o Japão, a China, a Coreia do Sul, os EUA e a Rússia contribuíram com 10% cada. O Japão forneceu componentes de alta tecnologia, manteve uma instalação IFMIF de 1 bilhão de euros projetada para testar materiais e tinha o direito de construir o próximo reator de teste. O custo total do ITER inclui metade dos custos para 10 anos de construção e metade para 20 anos de operação. A Índia tornou-se o sétimo membro do ITER no final de 2005.

Os experimentos devem começar em 2018 usando hidrogênio para evitar a ativação dos ímãs. Usando DT plasma não é esperado antes de 2026.

O objectivo do ITER é gerar 500 MW (pelo menos durante 400 s) utilizando menos de 50 MW de energia de entrada sem gerar electricidade.

A usina de demonstração de dois gigawatts da Demo produzirá em larga escala de forma contínua. O projeto conceitual do Demo será concluído até 2017, com construção iniciada em 2024. O lançamento ocorrerá em 2033.

JATO

Em 1978, a UE (Euratom, Suécia e Suíça) iniciou o projecto europeu conjunto JET no Reino Unido. JET é hoje o maior tokamak em operação no mundo. Um reator JT-60 semelhante opera no Instituto Nacional de Fusão do Japão, mas apenas o JET pode usar combustível deutério-trítio.

O reator foi lançado em 1983 e se tornou o primeiro experimento a resultar em fusão termonuclear controlada com potência de até 16 MW por segundo e 5 MW de potência estável em plasma de deutério-trítio em novembro de 1991. Muitos experimentos foram conduzidos para estudar vários esquemas aquecimento e outras técnicas.

Outras melhorias no JET envolvem o aumento de sua potência. O reator compacto MAST está sendo desenvolvido em conjunto com o JET e faz parte do projeto ITER.

K-STAR

K-STAR é um tokamak supercondutor coreano do National Fusion Research Institute (NFRI) em Daejeon, que produziu seu primeiro plasma em meados de 2008. ITER, que é o resultado da cooperação internacional. O Tokamak de 1,8 m de raio é o primeiro reator a utilizar ímãs supercondutores Nb3Sn, os mesmos planejados para o ITER. Durante a primeira fase, concluída em 2012, a K-STAR teve que provar a viabilidade das tecnologias subjacentes e alcançar pulsos de plasma com duração de até 20 segundos. Na segunda etapa (2013-2017), está sendo modernizado para estudar pulsos longos de até 300 s no modo H e fazer a transição para um modo AT de alto desempenho. O objetivo da terceira fase (2018-2023) é alcançar alta produtividade e eficiência no modo de pulso longo. Na fase 4 (2023-2025), serão testadas as tecnologias DEMO. O dispositivo não é capaz de lidar com trítio e Combustível DT não usa.

K-DEMO

Desenvolvido em colaboração com o Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA e o NFRI da Coreia do Sul, espera-se que o K-DEMO seja o próximo passo em direção a reatores comerciais após o ITER, e será a primeira usina capaz de gerar energia em rede elétrica, nomeadamente 1 milhão de kW dentro de algumas semanas. Terá diâmetro de 6,65 m e contará com um módulo de zona de reprodução criado no âmbito do projeto DEMO. O Ministério da Educação, Ciência e Tecnologia da Coreia planeja investir cerca de um trilhão de won coreanos (941 milhões de dólares) nele.

LESTE

O Tokamak Supercondutor Avançado Experimental da China (EAST) no Instituto de Física da China em Hefei criou plasma de hidrogênio a uma temperatura de 50 milhões de °C e o manteve por 102 s.

TFTR

No laboratório americano PPPL, o reator de fusão experimental TFTR operou de 1982 a 1997. Em dezembro de 1993, o TFTR se tornou o primeiro tokamak magnético a conduzir extensos experimentos com plasma de deutério-trítio. EM próximo ano o reator produziu um então recorde de 10,7 MW de potência controlável e, em 1995, um recorde de temperatura de 510 milhões de °C foi alcançado. No entanto, a instalação não atingiu o objectivo de equilíbrio da energia de fusão, mas cumpriu com sucesso os objectivos de concepção do hardware, dando um contributo significativo para o desenvolvimento do ITER.

LHD

O LHD do Instituto Nacional de Fusão do Japão em Toki, província de Gifu, foi o maior estelar do mundo. O reator de fusão foi lançado em 1998 e demonstrou propriedades de confinamento de plasma comparáveis ​​a outras grandes instalações. Uma temperatura iônica de 13,5 keV (cerca de 160 milhões de °C) e uma energia de 1,44 MJ foram alcançadas.

Wendelstein 7-X

Após um ano de testes, que começaram no final de 2015, as temperaturas do hélio atingiram brevemente 1 milhão de °C. Em 2016, um reator de fusão de plasma de hidrogênio usando 2 MW de potência atingiu uma temperatura de 80 milhões de °C em um quarto de segundo. O W7-X é o maior estelar do mundo e está planejado para operar continuamente por 30 minutos. O custo do reactor foi de mil milhões de euros.

NIF

A Instalação Nacional de Ignição (NIF) no Laboratório Nacional Livermore (LLNL) foi concluída em março de 2009. Usando seus 192 feixes de laser, o NIF é capaz de concentrar 60 vezes mais energia do que qualquer sistema de laser anterior.

Fusão a frio

Em março de 1989, dois pesquisadores, o americano Stanley Pons e o britânico Martin Fleischman, anunciaram que haviam lançado um simples reator de fusão a frio de mesa operando em temperatura ambiente. O processo envolveu a eletrólise de água pesada usando eletrodos de paládio nos quais os núcleos de deutério foram concentrados em alta densidade. Os pesquisadores dizem que produziu calor que só poderia ser explicado em termos de processos nucleares, e que havia subprodutos da fusão, incluindo hélio, trítio e nêutrons. No entanto, outros experimentadores não conseguiram repetir esta experiência. A maior parte da comunidade científica não acredita que os reatores de fusão a frio sejam reais.

Reações nucleares de baixa energia

Iniciada por alegações de "fusão a frio", a investigação continuou no campo das baixas energias com algum apoio empírico, mas sem uma explicação científica geralmente aceite. Aparentemente, interações nucleares fracas são usadas para criar e capturar nêutrons (e não uma força poderosa, como na sua fusão). Os experimentos envolvem hidrogênio ou deutério passando através de uma camada catalítica e reagindo com um metal. Os pesquisadores relatam uma liberação observada de energia. Principal exemplo práticoé a interação do hidrogênio com o pó de níquel com a liberação de calor, cuja quantidade é maior do que qualquer reação química pode produzir.

A segunda metade do século 20 foi um período de rápido desenvolvimento da física nuclear. Tornou-se claro que as reações nucleares poderiam ser usadas para produzir enorme energia a partir de pequenas quantidades de combustível. Desde a explosão do primeiro bomba nuclear Apenas nove anos se passaram antes da primeira usina nuclear, e quando a bomba de hidrogênio foi testada em 1952, havia previsões de que as usinas termonucleares entrariam em operação na década de 1960. Infelizmente, essas esperanças não foram concretizadas.

Reações termonucleares De todas as reações termonucleares, apenas quatro são de interesse no futuro próximo: deutério + deutério (produtos - trítio e próton, energia liberada 4,0 MeV), deutério + deutério (hélio-3 e nêutron, 3,3 MeV), deutério + trítio (hélio-4 e nêutron, 17,6 MeV) e deutério + hélio-3 (hélio-4 e próton, 18,2 MeV). A primeira e a segunda reações ocorrem em paralelo com igual probabilidade. O trítio e o hélio-3 resultantes “queimam” na terceira e quarta reações

A principal fonte de energia da humanidade hoje é a combustão de carvão, petróleo e gás. Mas os seus fornecimentos são limitados e os produtos da combustão poluem o ambiente. Uma central eléctrica a carvão produz mais emissões radioactivas do que uma central nuclear com a mesma potência! Então, por que ainda não mudamos para fontes de energia nuclear? Existem muitas razões para isso, mas a principal delas é ultimamente tornou-se radiofobia. Apesar de uma central eléctrica a carvão, mesmo em funcionamento normal, ser muito prejudicial à saúde mais pessoas do que as emissões de emergência nas centrais nucleares, fá-lo silenciosamente e despercebido pelo público. Os acidentes em usinas nucleares tornam-se imediatamente as principais notícias da mídia, causando pânico geral (muitas vezes completamente infundado). No entanto, isto não significa que a energia nuclear não tenha problemas objectivos. O rejeito radioativo causa muitos problemas: as tecnologias para trabalhar com ele ainda são extremamente caras e a situação ideal em que tudo será totalmente reciclado e aproveitado ainda está longe.

De todas as reações termonucleares, apenas quatro são de interesse em um futuro próximo: deutério + deutério (produtos - trítio e próton, energia liberada 4,0 MeV), deutério + deutério (hélio-3 e nêutron, 3,3 MeV), deutério + trítio ( hélio -4 e nêutron, 17,6 MeV) e deutério + hélio-3 (hélio-4 e próton, 18,2 MeV). A primeira e a segunda reações ocorrem em paralelo com igual probabilidade. O trítio e o hélio-3 resultantes “queimam” na terceira e quarta reações.

Da fissão à fusão

Uma solução potencial para estes problemas é a transição de reatores de fissão para reatores de fusão. Enquanto um reator de fissão típico contém dezenas de toneladas de combustível radioativo, que é convertido em dezenas de toneladas de resíduos radioativos contendo uma grande variedade de isótopos radioativos, um reator de fusão utiliza apenas centenas de gramas, no máximo quilogramas, de um isótopo radioativo de hidrogênio, trítio. Além de a reação exigir uma quantidade insignificante desse isótopo radioativo menos perigoso, sua produção também está prevista para ser realizada diretamente na usina, a fim de minimizar os riscos associados ao transporte. Os produtos de síntese são hidrogênio e hélio estáveis ​​(não radioativos) e não tóxicos. Além disso, ao contrário de uma reação de fissão, uma reação termonuclear pára imediatamente quando a instalação é destruída, sem criar o perigo de uma explosão térmica. Então, por que ainda não foi construída uma única central termonuclear operacional? A razão é que as vantagens listadas acarretam inevitavelmente desvantagens: criar as condições para a síntese revelou-se muito mais difícil do que inicialmente esperado.

Critério de Lawson

Para que uma reação termonuclear seja energeticamente favorável, é necessário garantir uma temperatura suficientemente elevada do combustível termonuclear, uma densidade suficientemente elevada e perdas de energia suficientemente baixas. Estes últimos são numericamente caracterizados pelo chamado “tempo de retenção”, que é igual à razão entre a energia térmica armazenada no plasma e o poder de perda de energia (muitas pessoas acreditam erroneamente que o “tempo de retenção” é o tempo durante o qual o plasma quente é mantido na instalação, mas não é assim). A uma temperatura de uma mistura de deutério e trítio igual a 10 keV (aproximadamente 110.000.000 graus), precisamos obter o produto do número de partículas de combustível em 1 cm 3 (ou seja, concentração plasmática) e o tempo de retenção (em segundos) de pelo menos 10 14. Não importa se temos um plasma com concentração de 1014 cm -3 e tempo de retenção de 1 s, ou um plasma com concentração de 10 23 e tempo de retenção de 1 ns. Este critério é denominado critério de Lawson.
Além do critério de Lawson, responsável por obter uma reação energeticamente favorável, existe também o critério de ignição do plasma, que para a reação deutério-trítio é aproximadamente três vezes maior que o critério de Lawson. “Ignição” significa que a fração da energia termonuclear que permanece no plasma será suficiente para manter a temperatura necessária e o aquecimento adicional do plasma não será mais necessário.

Beliscar Z

O primeiro dispositivo em que se planejou obter uma reação termonuclear controlada foi o chamado Z-pinch. No caso mais simples, esta instalação consiste em apenas dois eletrodos localizados em ambiente de deutério (hidrogênio-2) ou uma mistura de deutério e trítio, e uma bateria de capacitores de pulso de alta tensão. À primeira vista, parece que permite obter plasma comprimido aquecido a temperaturas enormes: exactamente o que é necessário para a produção térmica reação nuclear! Porém, na vida, tudo acabou, infelizmente, longe de ser tão otimista. A corda de plasma revelou-se instável: a menor curvatura leva ao fortalecimento do campo magnético de um lado e ao enfraquecimento do outro; as forças resultantes aumentam ainda mais a curvatura da corda - e todo o plasma “cai”; a parede lateral da câmara. A corda não é apenas instável à flexão, o menor afinamento dela leva a um aumento do campo magnético nesta parte, que comprime ainda mais o plasma, espremendo-o no volume restante da corda até que a corda seja finalmente “espremida”. .” A parte comprimida possui alta resistência elétrica, então a corrente é interrompida, o campo magnético desaparece e todo o plasma se dissipa.

O princípio de funcionamento do Z-pinch é simples: uma corrente elétrica gera um campo magnético anular, que interage com a mesma corrente e a comprime. Como resultado, a densidade e a temperatura do plasma através do qual a corrente flui aumentam.

Foi possível estabilizar o feixe de plasma aplicando-lhe um poderoso campo magnético externo, paralelo à corrente, e colocando-o em um invólucro condutor espesso (à medida que o plasma se move, o campo magnético também se move, o que induz uma corrente elétrica no invólucro, tendendo a devolver o plasma ao seu lugar). O plasma parou de dobrar e comprimir, mas ainda estava longe de uma reação termonuclear em qualquer escala séria: o plasma toca os eletrodos e emite calor para eles.

Obras modernas no campo da fusão Z-pinch, eles sugerem outro princípio para a criação de plasma termonuclear: uma corrente flui através de um tubo de plasma de tungstênio, que cria poderosos raios X que comprimem e aquecem uma cápsula com combustível termonuclear localizada dentro do tubo de plasma, semelhante a o que acontece em bomba termonuclear. Porém, esses trabalhos são de natureza puramente de pesquisa (são estudados os mecanismos de funcionamento das armas nucleares), e a liberação de energia nesse processo ainda é milhões de vezes menor que o consumo.

Quanto menor a proporção entre o raio grande do toro tokamak (a distância do centro de todo o toro ao centro da seção transversal de seu tubo) e o pequeno (o raio da seção transversal do tubo), o maior a pressão do plasma pode estar sob o mesmo campo magnético. Ao reduzir esta proporção, os cientistas passaram de uma secção transversal circular de plasma e câmara de vácuo para em forma de D (neste caso, o papel do pequeno raio é desempenhado pela metade da altura da seção). Todos os tokamaks modernos têm exatamente esse formato de seção transversal. O caso limite foi o chamado “tokamak esférico”. Nesses tokamaks, a câmara de vácuo e o plasma têm formato quase esférico, com exceção de um canal estreito conectando os pólos da esfera. Os condutores das bobinas magnéticas passam pelo canal. O primeiro tokamak esférico, START, surgiu apenas em 1991, portanto esta é uma direção bastante jovem, mas já mostrou a possibilidade de obter a mesma pressão de plasma com um campo magnético três vezes menor.

Câmara de cortiça, stellarator, tokamak

Outra opção para criar as condições necessárias para a reação são as chamadas armadilhas magnéticas abertas. A mais famosa delas é a “garrafa de cortiça”: um cachimbo com formato longitudinal campo magnético, que se fortalece nas pontas e enfraquece no meio. O campo aumentado nas extremidades cria um “plugue magnético” (daí o nome russo), ou “espelho magnético” (inglês - máquina de espelho), que evita que o plasma saia da instalação pelas extremidades. No entanto, essa retenção é incompleta; algumas partículas carregadas que se movem ao longo de certas trajetórias são capazes de passar através desses congestionamentos. E como resultado das colisões, qualquer partícula, mais cedo ou mais tarde, cairá nessa trajetória. Além disso, o plasma na célula espelho também se revelou instável: se em algum lugar uma pequena seção do plasma se afastar do eixo da instalação, surgem forças que ejetam o plasma na parede da câmara. Embora a ideia básica da célula-espelho tenha sido significativamente melhorada (o que permitiu reduzir tanto a instabilidade do plasma como a permeabilidade dos espelhos), na prática nem foi possível aproximar-se dos parâmetros necessários para uma fusão energeticamente favorável. .

É possível garantir que o plasma não escape pelos “tampões”? Parece que a solução óbvia é enrolar o plasma em um anel. Porém, então o campo magnético dentro do anel é mais forte do que fora, e o plasma novamente tende a ir para a parede da câmara. A saída para esta difícil situação também parecia bastante óbvia: em vez de um anel, faça um “oito”, então em um trecho a partícula se afastará do eixo da instalação e em outro retornará. Foi assim que os cientistas tiveram a ideia do primeiro estelar. Mas tal “oito” não pode ser feito em um plano, então tivemos que usar a terceira dimensão, dobrando o campo magnético na segunda direção, o que também levou a um movimento gradual das partículas do eixo para a parede da câmara .

A situação mudou drasticamente com a criação de instalações do tipo tokamak. Os resultados obtidos no tokamak T-3 na segunda metade da década de 1960 foram tão impressionantes para a época que cientistas ocidentais vieram à URSS com seus equipamentos de medição para verificar eles próprios os parâmetros do plasma. A realidade até superou suas expectativas.

Esses tubos fantasticamente entrelaçados não são um projeto de arte, mas uma câmara estelar curvada em uma curva tridimensional complexa.

Nas mãos da inércia

Além do confinamento magnético, existe uma abordagem fundamentalmente diferente para a fusão termonuclear - o confinamento inercial. Se no primeiro caso tentarmos manter o plasma em uma concentração muito baixa por muito tempo (a concentração de moléculas no ar ao seu redor é centenas de milhares de vezes maior), então no segundo caso comprimiremos o plasma a um densidade enorme, uma ordem de grandeza superior à densidade dos metais mais pesados, na expectativa de que a reação tenha tempo de passar naquele curto espaço de tempo antes que o plasma tenha tempo de se espalhar para os lados.

Originalmente, na década de 1960, o plano era usar uma pequena bola de combustível de fusão congelado, irradiada uniformemente de todos os lados por múltiplos feixes de laser. A superfície da bola deveria ter evaporado instantaneamente e, expandindo-se uniformemente em todas as direções, comprimida e aquecido o restante do combustível. No entanto, na prática, a irradiação revelou-se insuficientemente uniforme. Além disso, parte da energia da radiação foi transferida para as camadas internas, causando seu aquecimento, o que dificultou a compressão. Como resultado, a bola foi comprimida de forma desigual e fraca.

Existem várias configurações estelares modernas, todas próximas de um toro. Uma das configurações mais comuns envolve o uso de bobinas semelhantes às bobinas de campo poloidal dos tokamaks e de quatro a seis condutores torcidos em torno de uma câmara de vácuo com corrente multidirecional. O complexo campo magnético criado desta forma permite que o plasma seja contido de forma confiável, sem a necessidade de uma corrente elétrica circular fluir através dele. Além disso, os stellarators também podem usar bobinas de campo toroidal, como os tokamaks. E pode não haver condutores helicoidais, mas então as bobinas de campo “toroidais” são instaladas ao longo de uma curva tridimensional complexa. Desenvolvimentos recentes no campo dos estelaradores envolvem o uso de bobinas magnéticas e uma câmara de vácuo muito forma complexa(um toro muito “amassado”), calculado em computador.

O problema da irregularidade foi resolvido alterando significativamente o desenho do alvo. Agora a bola é colocada dentro de uma pequena câmara especial de metal (chamada “holraum”, do alemão hohlraum - cavidade) com orifícios por onde os raios laser entram. Além disso, são utilizados cristais que convertem a radiação laser IR em ultravioleta. Esta radiação UV é absorvida a camada mais fina material hohlraum, que é aquecido a temperaturas enormes e emite na região de raios X suaves. Por sua vez, a radiação de raios X é absorvida por uma fina camada na superfície da cápsula de combustível (bola com combustível). Isso também permitiu resolver o problema do aquecimento prematuro das camadas internas.

No entanto, a potência dos lasers revelou-se insuficiente para que uma parte perceptível do combustível reagisse. Além disso, a eficiência dos lasers era muito baixa, apenas cerca de 1%. Para que a fusão fosse energeticamente benéfica com uma eficiência de laser tão baixa, quase todo o combustível comprimido teve que reagir. Ao tentar substituir os lasers por feixes de íons leves ou pesados, que podem ser gerados com muito maior eficiência, os cientistas também encontraram muitos problemas: os íons leves se repelem, o que os impede de focar, e ficam mais lentos ao colidir com resíduos. gás na câmara e aceleradores Não foi possível criar íons pesados ​​com os parâmetros exigidos.

Perspectivas magnéticas

A maior parte da esperança no campo da energia de fusão reside agora nos tokamaks. Principalmente depois que abriram um modo com retenção aprimorada. Um tokamak é tanto uma pinça Z enrolada em um anel (uma corrente elétrica de anel flui através do plasma, criando um campo magnético necessário para contê-lo) quanto uma sequência de células espelhadas montadas em um anel e criando um toroidal magnético “corrugado”. campo. Além disso, um campo perpendicular ao plano do toro, criado por várias bobinas individuais, é sobreposto ao campo toroidal das bobinas e ao campo da corrente de plasma. Este campo adicional, denominado poloidal, fortalece o campo magnético da corrente de plasma (também poloidal) do lado de fora do toro e o enfraquece de dentro. Assim, o campo magnético total em todos os lados da corda de plasma é o mesmo e sua posição permanece estável. Ao alterar este campo adicional, é possível mover o feixe de plasma dentro da câmara de vácuo dentro de certos limites.

Uma abordagem fundamentalmente diferente para a síntese é proposta pelo conceito de catálise de múons. Um múon é uma partícula elementar instável que tem a mesma carga que um elétron, mas 207 vezes mais massa. Um múon pode substituir um elétron em um átomo de hidrogênio, e o tamanho do átomo diminui por um fator de 207. Isso permite que um núcleo de hidrogênio se aproxime de outro sem gastar energia. Mas para produzir um múon são gastos cerca de 10 GeV de energia, o que significa que é necessário realizar vários milhares de reações de fusão por múon para obter benefícios energéticos. Devido à possibilidade de um múon “grudar” no hélio formado na reação, mais de várias centenas de reações ainda não foram alcançadas. A foto mostra a montagem do estelarator Wendelstein instituto z-x físicos de plasma Max Planck.

Uma questão importante Os Tokamaks há muito precisam criar uma corrente de anel no plasma. Para fazer isso, um circuito magnético foi passado pelo orifício central do toro tokamak, cujo fluxo magnético mudava continuamente. Uma mudança no fluxo magnético dá origem a um vórtice campo elétrico, que ioniza o gás na câmara de vácuo e mantém a corrente no plasma resultante. Contudo, a corrente no plasma deve ser mantida continuamente, o que significa que o fluxo magnético deve mudar continuamente em uma direção. Isto, claro, é impossível, de modo que a corrente nos tokamaks só poderia ser mantida por um tempo limitado (de uma fração de segundo a vários segundos). Felizmente, foi descoberta a chamada corrente de bootstrap, que ocorre em um plasma sem campo de vórtice externo. Além disso, foram desenvolvidos métodos para aquecer o plasma, induzindo simultaneamente nele a corrente de anel necessária. Juntos, isso proporcionou o potencial para manter o plasma quente pelo tempo desejado. Na prática, o recorde pertence atualmente ao tokamak Tore Supra, onde o plasma “queimou” continuamente por mais de seis minutos.

O segundo tipo de instalação de confinamento de plasma, que é muito promissor, são os stellarators. Nas últimas décadas, o design dos stellarators mudou dramaticamente. Quase nada restou dos “oito” originais, e essas instalações tornaram-se muito mais próximas dos tokamaks. Embora o tempo de confinamento dos stellarators seja menor que o dos tokamaks (devido ao modo H menos eficiente), e o custo de sua construção seja maior, o comportamento do plasma neles é mais calmo, o que significa uma vida mais longa do primeiro parede interna da câmara de vácuo. Para o desenvolvimento comercial da fusão termonuclear, este fator é de grande importância.

Selecionando uma reação

À primeira vista, é mais lógico usar o deutério puro como combustível termonuclear: é relativamente barato e seguro. No entanto, o deutério reage com o deutério cem vezes menos prontamente do que com o trítio. Isso significa que para operar um reator com uma mistura de deutério e trítio, uma temperatura de 10 keV é suficiente, e para operar com deutério puro, é necessária uma temperatura superior a 50 keV. E quanto maior a temperatura, maior será a perda de energia. Portanto, pelo menos pela primeira vez, a energia termonuclear está planejada para ser construída com combustível deutério-trítio. O trítio será produzido no próprio reator devido à irradiação com os rápidos nêutrons de lítio nele produzidos.
Nêutrons "errados". No filme cult "9 Dias de Um Ano" personagem principal, enquanto trabalhava em uma instalação termonuclear, recebeu uma forte dose de radiação de nêutrons. No entanto, mais tarde descobriu-se que estes nêutrons não foram produzidos como resultado de uma reação de fusão. Esta não é uma invenção do diretor, mas um efeito real observado nas pinças Z. No momento da interrupção da corrente elétrica, a indutância do plasma leva à geração de uma enorme tensão - milhões de volts. Os íons de hidrogênio individuais, acelerados neste campo, são capazes de literalmente expulsar nêutrons dos eletrodos. No início, este fenómeno foi de facto considerado um sinal claro de uma reacção termonuclear, mas a análise subsequente do espectro de energia dos neutrões mostrou que tinham uma origem diferente.
Modo de retenção aprimorado. O modo H de um tokamak é um modo de operação quando, com uma alta potência de aquecimento adicional, as perdas de energia do plasma diminuem drasticamente. A descoberta acidental do modo de confinamento reforçado em 1982 é tão significativa quanto a invenção do próprio tokamak. Ainda não existe uma teoria geralmente aceita sobre esse fenômeno, mas isso não impede que seja utilizado na prática. Todos os tokamaks modernos operam neste modo, pois reduz as perdas em mais da metade. Posteriormente, um regime semelhante foi descoberto em estelaradores, o que indica que este propriedade geral sistemas toroidais, entretanto, melhoram a retenção em apenas cerca de 30%.
Aquecimento por plasma. Existem três métodos principais de aquecimento do plasma a temperaturas termonucleares. O aquecimento ôhmico é o aquecimento do plasma devido ao fluxo de corrente elétrica através dele. Este método é mais eficaz nos primeiros estágios, pois à medida que a temperatura aumenta, a resistência elétrica do plasma diminui. O aquecimento eletromagnético utiliza ondas eletromagnéticas com uma frequência que corresponde à frequência de rotação em torno das linhas do campo magnético de elétrons ou íons. Ao injetar átomos neutros rápidos, é criado um fluxo de íons negativos, que são então neutralizados, transformando-se em átomos neutros que podem passar pelo campo magnético até o centro do plasma para ali transferir sua energia.
Esses são reatores? O trítio é radioativo e a poderosa irradiação de nêutrons da reação DT cria radioatividade induzida nos elementos do projeto do reator. Temos que usar robôs, o que complica o trabalho. Ao mesmo tempo, o comportamento de um plasma de hidrogênio comum ou deutério é muito próximo do comportamento de um plasma feito de uma mistura de deutério e trítio. Isto levou ao facto de, ao longo da história, apenas duas instalações termonucleares funcionarem plenamente com uma mistura de deutério e trítio: os tokamaks TFTR e JET. Em outras instalações, nem sempre é utilizado deutério. Portanto, o nome “termonuclear” na definição de uma instalação não significa de forma alguma que nela tenham realmente ocorrido reações termonucleares (e naquelas que ocorrem, quase sempre é usado deutério puro).
Reator híbrido. Reação DT produz nêutrons de 14 MeV, que podem fissionar até mesmo o urânio empobrecido. A fissão de um núcleo de urânio é acompanhada pela liberação de aproximadamente 200 MeV de energia, que é mais de dez vezes a energia liberada durante a fusão. Portanto, os tokamaks existentes poderiam tornar-se energeticamente benéficos se fossem cercados por uma concha de urânio. Em comparação com os reatores de fissão, esses reatores híbridos teriam a vantagem de impedir o desenvolvimento de uma reação em cadeia descontrolada neles. Além disso, fluxos de nêutrons extremamente intensos deveriam converter produtos de fissão de urânio de vida longa em produtos de vida curta, o que reduz significativamente o problema de eliminação de resíduos.

Esperanças inerciais

A fusão inercial também não fica parada. Ao longo das décadas de desenvolvimento da tecnologia laser, surgiram perspectivas para aumentar a eficiência dos lasers em aproximadamente dez vezes. E, na prática, o seu poder aumentou centenas e milhares de vezes. Também estão em andamento trabalhos em aceleradores de íons pesados ​​com parâmetros adequados para uso termonuclear. Além disso, o conceito de “ignição rápida” tem sido um factor crítico no progresso da fusão inercial. Envolve o uso de dois pulsos: um comprime o combustível termonuclear e o outro aquece uma pequena parte dele. Supõe-se que a reação que começa em uma pequena parte do combustível se espalhará ainda mais e cobrirá todo o combustível. Esta abordagem permite reduzir significativamente os custos de energia e, portanto, tornar a reação lucrativa com uma fração menor de combustível reagido.

Problemas do Tokamak

Apesar do progresso de instalações de outros tipos, os tokamaks ainda permanecem fora de competição: se dois tokamaks (TFTR e JET) na década de 1990 conseguissem realmente uma libertação de energia termonuclear aproximadamente igual ao consumo de energia para aquecimento do plasma (mesmo embora tal modo durasse apenas cerca de um segundo), nada semelhante poderia ser alcançado com outros tipos de instalações. Mesmo um simples aumento no tamanho dos tokamaks levará à viabilidade de uma fusão energeticamente favorável neles. O reactor internacional ITER está actualmente a ser construído em França, o que terá de o demonstrar na prática.

No entanto, os tokamaks também apresentam problemas. O ITER custa milhares de milhões de dólares, o que é inaceitável para futuros reactores comerciais. Nenhum reator funcionou continuamente por algumas horas, muito menos por semanas e meses, o que novamente é necessário para aplicações industriais. Ainda não há certeza de que os materiais da parede interna da câmara de vácuo serão capazes de resistir à exposição prolongada ao plasma.

O conceito de um tokamak com campo forte pode tornar o projeto mais barato. Ao aumentar o campo em duas a três vezes, pretende-se obter os parâmetros de plasma necessários em uma instalação relativamente pequena. Este conceito, em particular, é a base do reator Ignitor, que, juntamente com colegas italianos, começa agora a ser construído no TRINIT (Instituto Trinity para Inovação e Pesquisa Termonuclear), perto de Moscou. Se os cálculos dos engenheiros se concretizarem, então, a um preço muitas vezes inferior ao do ITER, será possível acender o plasma neste reator.

Avance para as estrelas!

Os produtos de uma reação termonuclear se espalham em lados diferentes a velocidades de milhares de quilômetros por segundo. Isso torna possível criar motores de foguete ultraeficientes. O seu impulso específico será superior ao dos melhores motores eléctricos a jacto e o seu consumo de energia poderá até ser negativo (teoricamente é possível gerar, em vez de consumir, energia). Além disso, há todos os motivos para acreditar que fabricar um motor de foguete termonuclear será ainda mais fácil do que um reator terrestre: não há problemas com a criação de vácuo, com isolamento térmico de ímãs supercondutores, não há restrições de dimensões, etc. Além disso, a geração de energia elétrica pelo motor é desejável, mas não é nada necessária, basta que ele não consuma muito.

Confinamento eletrostático

O conceito de confinamento eletrostático de íons é mais facilmente compreendido através de uma configuração chamada fusor. É baseado em um eletrodo de malha esférica, ao qual é aplicado um potencial negativo. Os íons acelerados em um acelerador separado ou pelo campo do próprio eletrodo central caem dentro dele e são mantidos ali por um campo eletrostático: se um íon tende a voar para fora, o campo do eletrodo o faz retornar. Infelizmente, a probabilidade de um íon colidir com uma rede é muitas ordens de grandeza maior do que a probabilidade de entrar em uma reação de fusão, o que torna impossível uma reação energeticamente favorável. Tais instalações encontraram aplicação apenas como fontes de nêutrons.
Num esforço para fazer uma descoberta sensacional, muitos cientistas esforçam-se por ver a síntese sempre que possível. Tem havido numerosos relatos na imprensa sobre várias opções para a chamada “fusão a frio”. A síntese foi descoberta em metais “impregnados” de deutério quando uma corrente elétrica flui através deles, durante a eletrólise de líquidos saturados de deutério, durante a formação de bolhas de cavitação neles, bem como em outros casos. Porém, a maioria desses experimentos não teve reprodutibilidade satisfatória em outros laboratórios, e seus resultados quase sempre podem ser explicados sem o uso de síntese.
Continuando a “gloriosa tradição” que começou com a “pedra filosofal” e depois se transformou em “ máquina de movimento perpétuo“, muitos golpistas modernos já estão se oferecendo para comprar deles um “gerador de fusão a frio”, “reator de cavitação” e outros “geradores sem combustível”: todo mundo já se esqueceu da pedra filosofal, não acredita em movimento perpétuo, mas a fusão nuclear parece agora bastante convincente. Mas, infelizmente, na realidade tais fontes de energia ainda não existem (e quando puderem ser criadas, isso estará em todos os comunicados de imprensa). Portanto, fique atento: se lhe oferecerem a compra de um dispositivo que gera energia por meio da fusão nuclear fria, eles estão simplesmente tentando “enganá-lo”!

De acordo com estimativas preliminares, mesmo com o atual nível de tecnologia é possível criar uma energia termonuclear motor de foguete voar para os planetas sistema solar(com financiamento adequado). Dominar a tecnologia de tais motores aumentará dez vezes a velocidade dos voos tripulados e tornará possível ter grandes reservas de combustível a bordo, o que tornará o vôo para Marte não mais difícil do que trabalhar na ISS agora. Velocidades de 10% da velocidade da luz estarão potencialmente disponíveis para estações automáticas, o que significa que será possível enviar sondas de investigação para estrelas próximas e obter dados científicos durante a vida dos seus criadores.

O conceito de motor de foguete termonuclear baseado em fusão inercial é atualmente considerado o mais desenvolvido. A diferença entre um motor e um reator está no campo magnético, que direciona os produtos carregados da reação em uma direção. A segunda opção envolve o uso de um sifão aberto, no qual um dos plugues é deliberadamente afrouxado. O plasma que flui dele criará uma força reativa.

Futuro termonuclear

Dominar a fusão termonuclear revelou-se muito mais difícil do que parecia à primeira vista. E embora muitos problemas já tenham sido resolvidos, os restantes serão suficientes para as próximas décadas de trabalho árduo de milhares de cientistas e engenheiros. Mas as perspectivas que as transformações dos isótopos de hidrogênio e hélio nos abrem são tão grandes, e o caminho percorrido já é tão significativo que não faz sentido parar no meio do caminho. Não importa o que digam muitos céticos, o futuro reside, sem dúvida, na síntese.

A humanidade está gradualmente se aproximando do limite do esgotamento irreversível dos recursos de hidrocarbonetos da Terra. Há quase dois séculos que extraímos petróleo, gás e carvão das entranhas do planeta e já é claro que as suas reservas estão a esgotar-se a uma velocidade tremenda. Os principais países do mundo há muito pensam na criação de uma nova fonte de energia, amiga do ambiente, segura do ponto de vista operacional e com enormes reservas de combustível.

Reator de fusão

Hoje se fala muito sobre a utilização dos chamados tipos alternativos de energia - fontes renováveis ​​​​na forma de energia fotovoltaica, eólica e hidrelétrica. É óbvio que, devido às suas propriedades, essas direções só podem atuar como fontes auxiliares de fornecimento de energia.

Como perspectiva de longo prazo para a humanidade, apenas a energia baseada em reações nucleares pode ser considerada.

Por um lado, cada vez mais Estados demonstram interesse em construir reactores nucleares no seu território. Mas ainda assim, um problema premente para a energia nuclear é o processamento e eliminação de resíduos radioactivos, e isto afecta os indicadores económicos e ambientais. Já em meados do século XX, os principais físicos do mundo, em busca de novos tipos de energia, recorreram à fonte da vida na Terra - o Sol, em cujas profundezas, a uma temperatura de cerca de 20 milhões de graus, ocorrem reações de síntese (fusão) de elementos leves ocorrem com a liberação de energia colossal.

Os especialistas nacionais cuidaram melhor de tudo da tarefa de desenvolver uma instalação para implementar reações de fusão nuclear em condições terrestres. O conhecimento e a experiência na área de fusão termonuclear controlada (CTF), obtidos na Rússia, formaram a base do projeto que é, sem exagero, a esperança energética da humanidade - o Reator Termonuclear Experimental Internacional (ITER), que está sendo construído em Cadarache (França).

História da fusão termonuclear

As primeiras pesquisas termonucleares começaram em países que trabalhavam em seus programas de defesa atômica. Isto não é surpreendente, porque no início da era atômica, o objetivo principal do surgimento dos reatores de plasma de deutério era o estudo dos processos físicos no plasma quente, cujo conhecimento era necessário, entre outras coisas, para a criação de armas termonucleares. . Segundo dados desclassificados, a URSS e os EUA começaram quase simultaneamente na década de 1950. trabalhar na UTS. Mas, ao mesmo tempo, há provas históricas de que, em 1932, o velho revolucionário e amigo íntimo do líder do proletariado mundial Nikolai Bukharin, que na altura ocupava o cargo de presidente do comité do Conselho Económico Supremo e seguia o desenvolvimento da ciência soviética, propôs lançar no país um projeto para estudar reações termonucleares controladas.

A história do projeto termonuclear soviético não deixa de ter uma curiosidade. O futuro famoso acadêmico e criador da bomba de hidrogênio, Andrei Dmitrievich Sakharov, inspirou-se na ideia de isolamento térmico magnético de plasma de alta temperatura a partir de uma carta de um soldado do exército soviético. Em 1950, o sargento Oleg Lavrentyev, que serviu em Sakhalin, enviou uma carta ao Comitê Central do Partido Comunista da União na qual propunha o uso de deutereto de lítio-6 em vez de deutério e trítio liquefeitos em uma bomba de hidrogênio, e também a criação de um sistema com confinamento eletrostático de plasma quente para realizar fusão termonuclear controlada. A carta foi revista pelo então jovem cientista Andrei Sakharov, que escreveu na sua crítica que “considera necessário ter uma discussão detalhada do projecto do camarada Lavrentiev”.

Já em outubro de 1950, Andrei Sakharov e o seu colega Igor Tamm fizeram as primeiras estimativas de um reator termonuclear magnético (MTR). A primeira instalação toroidal com forte campo magnético longitudinal, baseada nas ideias de I. Tamm e A. Sakharov, foi construída em 1955 em LIPAN. Foi chamado de TMP - um toro com campo magnético. As instalações subsequentes já eram denominadas TOKAMAK, após a combinação das sílabas iniciais na frase “TORIDAL CHAMBER MAGNETIC COIL”. Em seu versão clássica Um tokamak é uma câmara toroidal em forma de rosca colocada em um campo magnético toroidal. De 1955 a 1966 No Instituto Kurchatov foram construídas 8 dessas instalações, nas quais foram realizados diversos estudos. Se antes de 1969 um tokamak era construído fora da URSS apenas na Austrália, nos anos seguintes eles foram construídos em 29 países, incluindo EUA, Japão, países europeus, Índia, China, Canadá, Líbia, Egito. No total, cerca de 300 tokamaks foram construídos no mundo até o momento, incluindo 31 na URSS e na Rússia, 30 nos EUA, 32 na Europa e 27 no Japão. Na verdade, três países – a URSS, a Grã-Bretanha e os EUA – estavam envolvidos numa competição tácita para ver quem seria o primeiro a aproveitar o plasma e realmente começar a produzir energia “a partir da água”.

A vantagem mais importante de um reator termonuclear é a redução do risco biológico de radiação em aproximadamente mil vezes em comparação com todos os reatores nucleares modernos.

Um reator termonuclear não emite CO2 e não produz resíduos radioativos “pesados”. Este reator pode ser colocado em qualquer lugar, em qualquer lugar.

Um passo de meio século

Em 1985, o acadêmico Evgeniy Velikhov, em nome da URSS, propôs que cientistas da Europa, dos EUA e do Japão trabalhassem juntos para criar um reator termonuclear, e já em 1986, em Genebra, foi alcançado um acordo sobre o projeto da instalação, que mais tarde recebeu o nome de ITER. Em 1992, os parceiros assinaram um acordo quadripartite para desenvolver um projeto de engenharia para o reator. A primeira etapa da construção está prevista para ser concluída até 2020, quando está previsto o recebimento do primeiro plasma. Em 2011, teve início a verdadeira construção nas instalações do ITER.

O design do ITER segue o clássico tokamak russo, desenvolvido na década de 1960. Está previsto que na primeira etapa o reator opere em modo pulsado com potência de reações termonucleares de 400–500 MW, na segunda etapa será testado o funcionamento contínuo do reator, bem como o sistema de reprodução de trítio. .

Não é à toa que o reator ITER é chamado de futuro energético da humanidade. Em primeiro lugar, este é o maior projecto científico do mundo, porque quase todo o mundo o está a construir em território francês: participam a UE + Suíça, China, Índia, Japão, Coreia do Sul, Rússia e EUA. O acordo para a construção da instalação foi assinado em 2006. Os países europeus contribuem com cerca de 50% do financiamento do projeto, a Rússia responde por cerca de 10% do valor total, que será investido na forma de equipamentos de alta tecnologia. Mas a contribuição mais importante da Rússia é a própria tecnologia tokamak, que formou a base do reactor ITER.

Em segundo lugar, esta será a primeira tentativa em grande escala de utilizar a reação termonuclear que ocorre no Sol para gerar eletricidade. Em terceiro lugar, este trabalho científico deverá trazer resultados muito práticos e, até ao final do século, o mundo espera o aparecimento do primeiro protótipo de uma central termonuclear comercial.

Os cientistas presumem que o primeiro plasma no reator termonuclear experimental internacional será produzido em dezembro de 2025.

Por que literalmente toda a comunidade científica mundial começou a construir tal reator? O facto é que muitas tecnologias que estão previstas para serem utilizadas na construção do ITER não pertencem a todos os países ao mesmo tempo. Um estado, mesmo o mais desenvolvido em termos científicos e técnicos, não pode ter imediatamente uma centena de tecnologias do mais alto nível mundial em todos os campos de tecnologia utilizados num projecto tão inovador e de alta tecnologia como um reactor termonuclear. Mas o ITER consiste em centenas de tecnologias semelhantes.

A Rússia ultrapassa o nível global em muitas tecnologias de fusão termonuclear. Mas, por exemplo, os cientistas nucleares japoneses também têm competências únicas nesta área, que são bastante aplicáveis ​​no ITER.

Portanto, logo no início do projeto, os países parceiros chegaram a acordo sobre quem e o que seria fornecido ao local, e que isso não deveria ser apenas cooperação em engenharia, mas uma oportunidade para cada um dos parceiros receber novas tecnologias de outros participantes, para que no futuro os desenvolva você mesmo.

Andrey Retinger, jornalista internacional

O projeto internacional do reator termonuclear experimental ITER começou em 2007. Está localizada em Cadarache, no sul da França. Tarefa principal O ITER, segundo quem concebeu e implementa o projeto, visa demonstrar as possibilidades de utilização comercial da fusão termonuclear.

O ITER é uma iniciativa científica internacional estratégica; mais de 30 países participam na sua implementação.

“Estamos no coração de um futuro reator de fusão. Seu peso é três Torres Eiffel, e a área total será de 60 campos de futebol”, relata o jornalista da euronews Claudio Rocco.

Um reator de fusão ou instalação toroidal para confinamento de plasma magnético, também chamado de tokomak, é criado para atingir as condições necessárias para que ocorra a fusão termonuclear controlada. O plasma em um tokamak não é mantido pelas paredes da câmara, mas por um campo magnético combinado especialmente criado - um campo toroidal externo e poloidal da corrente que flui através do cordão de plasma. Em comparação com outras instalações que utilizam um campo magnético para confinar o plasma, o uso de corrente elétrica é característica principal tokamak

Ao realizar a fusão termonuclear controlada, o deutério e o trítio serão utilizados no tokamak.
Os detalhes estão na entrevista com o Diretor Geral do ITER, Bernard Bigot.

Qual é a vantagem da energia produzida através da fusão nuclear controlada?

“Em primeiro lugar, na utilização de isótopos de hidrogênio, que, por sua vez, é considerado uma fonte quase inesgotável: o hidrogênio é encontrado em todos os lugares, inclusive no Oceano Mundial. Portanto, enquanto houver água na Terra, no mar e doce, teremos combustível para o tokamak - estamos falando de milhões de anos. A segunda vantagem é que os resíduos radioativos têm uma meia-vida bastante curta: várias centenas de anos, em comparação com a dos resíduos da fusão nuclear.”

A fusão termonuclear é controlada e, segundo Bernard Bigot, relativamente fácil de interromper em caso de acidente. Uma situação diferente num caso semelhante surge com a fusão nuclear.

Ao aquecer uma substância, pode ser alcançada uma reação nuclear. É esta relação entre o aquecimento de uma substância e uma reação nuclear que se reflete no termo “reação termonuclear”.

O projeto dos componentes do tokamak é realizado através dos esforços dos países participantes do ITER, e as peças e componentes tecnológicos do tokamak são produzidos no Japão, Coreia do Sul, Rússia, China, EUA e outros países. Ao construir um tokamak, a probabilidade é levada em consideração tipos diferentes acidentes

Bernard Bigot: “No entanto, é possível um vazamento de elementos radioativos. Alguns compartimentos não serão suficientemente selados. Mas o seu número será mínimo e para aqueles que vivem perto do reator não haverá grande perigo para a saúde ou a vida.”

Mas a possibilidade de acidente e vazamento está prevista no projeto, em particular, as salas onde ocorre a fusão termonuclear e as salas adjacentes serão equipadas com poços de ventilação especiais para os quais serão aspirados elementos radioativos, a fim de evitar a sua liberar para o exterior.

“Não creio que a estimativa de cerca de 16 mil milhões de euros pareça tão gigantesca, especialmente quando se considera o custo da energia que aqui será produzida. Além disso, a produção demora muito, muito tempo, pelo que todos os custos serão justificados mesmo a médio prazo”, conclui Bernard Bigot.

O NIIEFA russo relatou recentemente o teste bem-sucedido de um protótipo em escala real de um sistema de resistor de têmpera para proteção de bobinas supercondutoras, que foi projetado especificamente para o ITER.

E o comissionamento de todo o complexo ITER em Cadarache, França, está previsto para 2020.

Dizemos que colocaremos o sol numa caixa. A ideia é bonita. O problema é que não sabemos fazer a caixa.

Pierre Gilles de Gennes
Prêmio Nobel francês

Todos os dispositivos e máquinas eletrônicos precisam de energia e a humanidade consome muito dela. Mas os combustíveis fósseis estão a acabar e energia alternativa ainda não é suficientemente eficaz.
Existe um método de obtenção de energia que atende idealmente a todos os requisitos - a fusão termonuclear. A reação de fusão termonuclear (conversão de hidrogênio em hélio e liberação de energia) ocorre constantemente no sol e esse processo fornece energia ao planeta na forma raios solares. Basta imitá-lo na Terra, em menor escala. O suficiente para fornecer pressão alta e temperatura muito alta (10 vezes maior que a do Sol) e a reação de fusão será lançada. Para criar tais condições, é necessário construir um reator termonuclear. Utilizará recursos mais abundantes na Terra e será mais segura e mais poderosa do que as centrais nucleares convencionais. Por mais de 40 anos, foram feitas tentativas de construí-lo e experimentos foram realizados. Nos últimos anos, um dos protótipos conseguiu até obter mais energia do que a gasta. Os projetos mais ambiciosos nesta área são apresentados a seguir:

Projetos governamentais

A maior atenção do público foi recentemente dada a outro projeto de reator termonuclear - o stellarator Wendelstein 7-X (o stellarator é mais complexo em sua estrutura interna do que o ITER, que é um tokamak). Tendo gasto pouco mais de mil milhões de dólares, os cientistas alemães construíram um modelo de demonstração em escala reduzida do reactor em 9 anos, até 2015. Se ele mostrar bons resultados Uma versão maior será construída.

O MegaJoule Laser da França será o laser mais poderoso do mundo e tentará avançar um método baseado em laser para construir um reator de fusão. A instalação francesa deverá ser comissionada em 2018.

O NIF (National Ignition Facility) foi construído nos EUA ao longo de 12 anos e 4 bilhões de dólares até 2012. Eles esperavam testar a tecnologia e então construir imediatamente um reator, mas descobriu-se que, como relata a Wikipedia, será necessário um trabalho significativo se o sistema deve atingir a ignição. Como resultado, planos grandiosos foram cancelados e os cientistas começaram a melhorar gradualmente o laser. O desafio final é aumentar a eficiência da transferência de energia de 7% para 15%. Caso contrário, o financiamento do Congresso para este método de alcançar a síntese poderá cessar.

No final de 2015, começou a construção de um edifício para a instalação de laser mais potente do mundo em Sarov. Será mais potente que os atuais americanos e futuros franceses e permitirá realizar os experimentos necessários à construção de uma versão “laser” do reator. Conclusão da construção em 2020.

Localizado nos EUA, o laser de fusão MagLIF é reconhecido como um azarão entre os métodos para alcançar a fusão termonuclear. Este método mostrou recentemente resultados melhores do que o esperado, mas a potência ainda precisa ser aumentada em um fator de 1000. O laser está atualmente passando por uma atualização e, até 2018, os cientistas esperam receber a mesma quantidade de energia que gastaram. Se for bem-sucedido, uma versão maior será construída.

O Instituto Russo de Física Nuclear experimentou persistentemente o método da “armadilha aberta”, que os Estados Unidos abandonaram na década de 90. Como resultado, foram obtidos indicadores considerados impossíveis para este método. Os cientistas do BINP acreditam que a sua instalação está agora ao nível do Wendelstein 7-X alemão (Q=0,1), mas mais barata. Agora eles estão construindo uma nova instalação por 3 bilhões de rublos

O chefe do Instituto Kurchatov lembra constantemente dos planos para construir um pequeno reator termonuclear na Rússia - o Ignitor. De acordo com o plano, deverá ser tão eficaz como o ITER, embora de menor dimensão. A sua construção deveria ter começado há 3 anos, mas esta situação é típica de grandes projetos científicos.

No início de 2016, o tokamak chinês EAST conseguiu atingir a temperatura de 50 milhões de graus e mantê-la por 102 segundos. Antes do início da construção de enormes reatores e lasers, todas as notícias sobre fusão termonuclear eram assim. Poderíamos pensar que esta é apenas uma competição entre cientistas para ver quem consegue manter a temperatura cada vez mais alta por mais tempo. Quanto maior a temperatura do plasma e quanto mais tempo ela puder ser mantida, mais próximos estaremos do início da reação de fusão. Existem dezenas dessas instalações no mundo, várias outras () () estão sendo construídas, então o recorde do EAST será quebrado em breve. Em essência, estes pequenos reactores são apenas equipamentos de teste antes de serem enviados para o ITER.

A Lockheed Martin anunciou um avanço na energia de fusão em 2015 que lhes permitiria construir um reator de fusão pequeno e móvel dentro de 10 anos. Dado que mesmo reactores comerciais muito grandes e sem qualquer mobilidade não eram esperados até 2040, o anúncio da corporação foi recebido com cepticismo. Mas a empresa tem muitos recursos, quem sabe. Um protótipo é esperado em 2020.

A popular startup do Vale do Silício, Helion Energy, tem seu próprio plano exclusivo para alcançar a fusão termonuclear. A empresa arrecadou mais de US$ 10 milhões e espera criar um protótipo até 2019.

A startup de baixo perfil Tri Alpha Energy alcançou recentemente resultados impressionantes na promoção do seu método de fusão termonuclear (os teóricos desenvolveram mais de 100 formas teóricas de alcançar a fusão, o tokamak é simplesmente o mais simples e mais popular). A empresa também levantou mais de US$ 100 milhões em fundos de investidores.

O projeto do reator da startup canadense General Fusion é ainda mais diferente dos demais, mas os desenvolvedores estão confiantes nele e arrecadaram mais de US$ 100 milhões em 10 anos para construir o reator até 2020.

A startup First Light, sediada no Reino Unido, tem o site mais acessível, formada em 2014, e anunciou planos para usar os dados científicos mais recentes para produzir fusão nuclear a um custo menor.

Cientistas do MIT escreveram um artigo descrevendo um reator de fusão compacto. Eles contam com novas tecnologias que surgiram após o início da construção de tokamaks gigantes e prometem concluir o projeto em 10 anos. Ainda não se sabe se eles serão dados luz verde no início da construção. Mesmo aprovado, artigo de revista é uma etapa ainda anterior a uma startup

A fusão nuclear é talvez a indústria menos adequada para o crowdfunding. Mas é com a ajuda dele e também com financiamento da NASA que a empresa Lawrenceville Plasma Physics vai construir um protótipo do seu reator. De todos os projetos em andamento, este é o que mais parece uma farsa, mas quem sabe, talvez tragam algo útil para este grandioso trabalho.

O ITER será apenas um protótipo para a construção de uma instalação DEMO completa - o primeiro reator de fusão comercial. O seu lançamento está agora previsto para 2044 e esta ainda é uma previsão otimista.

Mas há planos para a próxima etapa. Um reator termonuclear híbrido receberá energia tanto da decadência atômica (como uma usina nuclear convencional) quanto da fusão. Nesta configuração a energia pode ser 10 vezes maior, mas a segurança é menor. A China espera construir um protótipo até 2030, mas os especialistas dizem que isso seria como tentar construir carros híbridos antes da invenção do motor de combustão interna.

Resultado final

Não faltam pessoas querendo trazer uma nova fonte de energia ao mundo. O projecto ITER tem maiores possibilidades, dada a sua escala e financiamento, mas outros métodos, bem como projectos privados, não devem ser descartados. Os cientistas trabalharam durante décadas para iniciar a reação de fusão, sem muito sucesso. Mas agora existem mais projectos para alcançar a reacção termonuclear do que nunca. Mesmo que cada um deles falhe, novas tentativas serão feitas. É pouco provável que descansemos até iluminarmos uma versão em miniatura do Sol, aqui na Terra.

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