Cinco tecnologias facilitadoras que uma indústria de fusão precisará

A energia de fusão precisa de mais do que uma reação de fusão sustentada antes que possa ajudar o mundo a produzir energia neutra em carbono suficiente. O Departamento de Energia dos EUA identificou uma agenda de pesquisa e desenvolvimento para um conjunto de tecnologias e processos para permitir a fusão.

Dois funcionários do DOE nomearam cinco dessas tecnologias urgentes em uma webinar Quinta-feira organizada pelas Academias Nacionais de Ciências, Engenharia e Medicina (NASEM). Mais são cobertos em um NASEM 2021 Denunciar que insta o rápido desenvolvimento da tecnologia que permite a fusão:

“Embora isso seja frequentemente adiado para o futuro, o objetivo da energia de fusão econômica nas próximas décadas como um interesse estratégico dos EUA impulsiona a necessidade de aumentar rapidamente a pesquisa e o desenvolvimento de materiais, componentes e tecnologias nucleares de fusão”.

As cinco quintas-feiras destacadas incluem:

1 Materiais à prova de fusão

O plasma onde ocorre a reação de fusão pode ser mais quente que o sol. Um poderoso campo magnético ou inércia pode confinar o plasma, protegendo-o das paredes e componentes do reator, mas os reatores de fusão, no entanto, exigirão materiais que possam lidar com calor extremo e bombardeio de nêutrons soltos quando os isótopos de hidrogênio se transformam em hélio.

Para testar materiais potenciais, os cientistas precisam produzir condições semelhantes a uma reação de fusão.

“Existe uma necessidade extrema de uma fonte de nêutrons prototípica de fusão para poder coletar os dados de materiais, o que pode levar muitos anos de exposição”, disse Scott Hsu, coordenador principal de fusão do DOE. Enquanto essa fonte de nêutrons está em desenvolvimento, ele acrescentou, o aprendizado de máquina e o teste de materiais podem ajudar a reduzir o número de materiais candidatos.

Há também o potencial de evitar totalmente os materiais usando “desenhos de primeira parede e manta verdadeiramente transformadores, onde você pode nem mesmo ter nenhum material sólido voltado para o plasma, e isso quase evita a questão dos materiais”, disse Hsu. “E precisamos manter essas ideias sobre a mesa.”

2 Um criador de trítio

Os projetos de reatores de fusão mais comuns usam dois isótopos de hidrogênio - deutério (²H) e Trítio (³H)—como combustível.

“Se vamos usar um ciclo de combustível deutério-trítio, teremos que extrair o calor e produzir trítio”, disse Richard Hawryluk, consultor técnico sênior do DOE Office of Science e presidente do relatório NASEM de 2021. .

“Um desafio particular é a necessidade de fechar com segurança e eficiência o ciclo do combustível”, afirma o relatório, “que para projetos de fusão de deutério-trítio envolve o desenvolvimento de mantas para produzir e extrair trítio, bem como o abastecimento, exaustão, confinamento, extração e separação de trítio em quantidades significativas”.

3 Um Sistema de Exaustão

Parte do calor insondável produzido em uma reação de fusão será usado para produzir energia, mas primeiro ele precisa ser gerenciado, e seu ventilador de cozinha padrão não serve.

“Um programa de pesquisa completo exigirá instalações de teste produzindo ambientes cada vez mais semelhantes a uma usina de fusão para avaliar o manuseio de exaustão de energia relevante para o reator no ambiente de nêutrons de fusão”, afirma o relatório da NASEM.

4 lasers mais eficientes

A National Ignition Facility (NIF) do DOE celebrou uma conquista há muito esperada em dezembro, quando provocou uma reação de fusão que liberou mais energia (3.15 megajoules) do que os feixes do laser que o acendeu (2.05 megajoules). Mas foram necessários 300 megajoules para alimentar o laser.

Eventualmente, esses lasers serão alimentados, após a inicialização, pela eletricidade do reator de fusão. Mas lasers mais eficientes significam reatores mais eficientes, deixando mais energia para o usuário ou para a rede.

5 repetição

Não basta que o laser seja eficiente. Ele também tem que operar menos como um mosquete e mais como uma metralhadora.

“O resultado maravilhoso no NIF”, disse Hawryluk, “chegamos a esse ponto fazendo algumas fotos por ano. Você tem que ser capaz de chegar ao ponto em que está fazendo alguns tiros por segundo, ou um tiro por segundo, então é a taxa de repetição também que temos que dominar.

Isso aumenta a taxa de repetição de cada etapa do processo, começando pela cápsula de combustível. De acordo com o jornal Ciência, “Um milhão de cápsulas por dia precisariam ser feitas, preenchidas, posicionadas, explodidas e limpas - um enorme desafio de engenharia.”

MAIS DE FORBESA fusão está prestes a se tornar um investimento obrigatório, diz oficial do DOEBy Jeff McMahon