Tecnologia Científica

Validando a física por trás do novo experimento de fusão projetado pelo MIT
Nenhum impedimento ou surpresa inesperado apareceu, e os desafios restantes parecem administráveis. Isso estabelece uma base sólida para a operação do dispositivo uma vez construído, de acordo com Greenwald.
Por Sarah McDonnel - 29/09/2020


Renderização de SPARC, um tokamak compacto, de alto campo, que queima DT, atualmente em projeto por uma equipe do Massachusetts Institute of Technology e Commonwealth Fusion Systems. Sua missão é criar e confinar um plasma que produza energia de fusão líquida. Crédito: CFS / MIT-PSFC - Rendering CAD por T. Henderson

Dois anos e meio atrás, o MIT firmou um acordo de pesquisa com a empresa startup Commonwealth Fusion Systems para desenvolver um experimento de pesquisa de fusão de próxima geração, chamado SPARC, como um precursor de uma usina de energia prática e livre de emissões.

Agora, depois de muitos meses de pesquisa intensiva e trabalho de engenharia, os pesquisadores encarregados de definir e refinar a física por trás do ambicioso projeto do reator publicaram uma série de artigos resumindo o progresso que fizeram e delineando as principais questões de pesquisa que o SPARC permitirá.

No geral, diz Martin Greenwald, vice-diretor do Centro de Fusão e Ciência de Plasma do MIT e um dos principais cientistas do projeto, o trabalho está progredindo sem problemas e nos trilhos. Esta série de artigos fornece um alto nível de confiança na física do plasma e nas previsões de desempenho para SPARC, diz ele. Nenhum impedimento ou surpresa inesperado apareceu, e os desafios restantes parecem administráveis. Isso estabelece uma base sólida para a operação do dispositivo uma vez construído, de acordo com Greenwald.

Greenwald escreveu a introdução de um conjunto de sete artigos de pesquisa de autoria de 47 pesquisadores de 12 instituições e publicada hoje em uma edição especial do Journal of Plasma Physics . Juntos, os artigos descrevem as bases teóricas e empíricas da física para o novo sistema de fusão , que o consórcio espera começar a construir no próximo ano.

SPARC está planejado para ser o primeiro dispositivo experimental a alcançar um " plasma em chamas ", isto é, uma reação de fusão autossustentável na qual diferentes isótopos do elemento hidrogênio se fundem para formar hélio, sem a necessidade de qualquer entrada adicional de energia . Estudar o comportamento desse plasma em chamas - algo nunca antes visto na Terra de forma controlada - é visto como uma informação crucial para o desenvolvimento da próxima etapa, um protótipo funcional de uma usina geradora de energia prática.

Essas usinas de fusão podem reduzir significativamente as emissões de gases de efeito estufa do setor de geração de energia, uma das principais fontes dessas emissões em todo o mundo. O projeto MIT e CFS é um dos maiores projetos de pesquisa e desenvolvimento com financiamento privado já realizado no campo de fusão.
 
O projeto SPARC, embora com cerca de duas vezes o tamanho do experimento Alcator C-Mod agora aposentado do MIT e semelhante a vários outros reatores de fusão de pesquisa atualmente em operação, seria muito mais poderoso, alcançando um desempenho de fusão comparável ao esperado no ITER muito maior reator sendo construído na França por um consórcio internacional. A alta potência em um tamanho pequeno é possível graças aos avanços nos ímãs supercondutores que permitem um campo magnético muito mais forte para confinar o plasma quente.

O projeto SPARC foi lançado no início de 2018 e os trabalhos em sua primeira fase, o desenvolvimento dos ímãs supercondutores que permitiriam a construção de sistemas de fusão menores, vem avançando rapidamente. O novo conjunto de documentos representa a primeira vez que a base física subjacente para a máquina SPARC foi delineada em detalhes em publicações revisadas por pares. Os sete artigos exploram as áreas específicas da física que tiveram que ser refinadas ainda mais e que ainda requerem pesquisas contínuas para definir os elementos finais do projeto da máquina e os procedimentos operacionais e testes que estarão envolvidos conforme o trabalho avança em direção à usina .

Os documentos também descrevem o uso de cálculos e ferramentas de simulação para o projeto de SPARC, que foram testados em muitos experimentos em todo o mundo. Os autores usaram simulações de ponta, executadas em poderosos supercomputadores, que foram desenvolvidas para auxiliar no projeto do ITER. A grande equipe multi-institucional de pesquisadores representada no novo conjunto de artigos teve como objetivo trazer as melhores ferramentas de consenso para o projeto da máquina SPARC para aumentar a confiança de que ela cumprirá sua missão.

A análise feita até agora mostra que a produção de energia de fusão planejada do reator SPARC deve ser capaz de atender às especificações de projeto com uma margem confortável de sobra. Ele é projetado para atingir um fator Q - um parâmetro-chave que denota a eficiência de um plasma de fusão - de pelo menos 2, essencialmente significando que duas vezes mais energia de fusão é produzida do que a quantidade de energia bombeada para gerar a reação. Essa seria a primeira vez que um plasma de fusão de qualquer tipo produziu mais energia do que consumiu.

Os cálculos neste ponto mostram que o SPARC poderia realmente atingir uma razão Q de 10 ou mais, de acordo com os novos artigos. Embora Greenwald alerte que a equipe quer ter cuidado para não prometer demais, e ainda há muito trabalho a ser feito, os resultados até agora indicam que o projeto pelo menos alcançará seus objetivos e, especificamente, atingirá seu objetivo principal de produzir um plasma em chamas, em que o self -aquecimento domina o equilíbrio de energia.

As limitações impostas pela pandemia COVID-19 retardaram um pouco o progresso, mas não muito, diz ele, e os pesquisadores estão de volta aos laboratórios sob novas diretrizes operacionais.

No geral, "ainda estamos visando o início da construção por volta de junho de 21", diz Greenwald. "O esforço de física está bem integrado com o projeto de engenharia. O que estamos tentando fazer é colocar o projeto na base física mais firme possível, de modo que tenhamos certeza de como será seu desempenho e, em seguida, forneceremos orientação e responda a perguntas para o projeto de engenharia conforme ele avança. "

Muitos dos pequenos detalhes ainda estão sendo trabalhados no projeto da máquina, cobrindo as melhores maneiras de obter energia e combustível para o dispositivo, obter a energia, lidar com quaisquer transientes térmicos ou de potência repentinos e como e onde medir os parâmetros-chave para monitorar o funcionamento da máquina.

Até agora, houve apenas pequenas alterações no design geral. O diâmetro do reator foi aumentado em cerca de 12 por cento, mas pouco mais mudou, diz Greenwald. "Sempre há a questão de um pouco mais disso, um pouco menos daquilo, e há muitas coisas que pesam nisso, problemas de engenharia, tensões mecânicas, tensões térmicas e também há a física - como você afeta o desempenho de a máquina?"

A publicação desta edição especial da revista, diz ele, "representa um resumo, um instantâneo da base da física como ela se apresenta hoje." Embora os membros da equipe tenham discutido muitos aspectos disso em reuniões de física, "esta é nossa primeira oportunidade de contar nossa história, fazer uma revisão, obter o selo de aprovação e divulgá-la na comunidade".

Greenwald diz que ainda há muito a aprender sobre a física da queima de plasmas e, uma vez que esta máquina esteja funcionando, informações importantes podem ser obtidas que ajudarão a pavimentar o caminho para dispositivos de fusão comerciais de produção de energia, cujo combustível - o hidrogênio isótopos deutério e trítio - podem ser disponibilizados em suprimentos virtualmente ilimitados.

Os detalhes do plasma em chamas "são realmente novos e importantes", diz ele. "A grande montanha que precisamos superar é entender esse estado de autoaquecimento de um plasma."

No geral, Greenwald diz, o trabalho que foi feito na análise apresentada neste pacote de documentos "ajuda a validar nossa confiança de que cumpriremos a missão. Não encontramos nada em que dizemos: 'oh, isso é uma previsão de que não chegaremos onde queremos. " Resumindo, diz ele, "uma das conclusões é que as coisas ainda estão nos trilhos. Acreditamos que vai funcionar".

 

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