nos últimos 20 anos, o centro de Ciência do Plasma e fusão do MIT (PSFC) tem experimentado a fusão nuclear através do menor dispositivo de fusão nuclear tokamak (em forma de donut) do mundo — o Alcator C-Mod.o objectivo? Para produzir o menor reator de fusão do mundo — um que esmaga uma reação de fusão em forma de donut em um raio de 3,3 metros — três dos quais poderiam alimentar uma cidade do tamanho de Boston.
e os investigadores do MIT estão a aproximar-se do seu objectivo, apesar de um corte recente no financiamento federal que poderia retardar o seu progresso.
The lessons already learned from MIT’s smaller Alcator C-Mod fusion device have enabled researchers, including MIT Ph. D candidate Brandon Sorbom and PSFC Director Dennis Whyte, to develop the conceptual ARC (affordable, robust, compact) reactor.”queríamos produzir algo que pudesse produzir energia, mas que fosse o mais pequeno possível”, disse Sorbom.um reactor de fusão de arco de trabalho utilizaria 50 megawatts (MW) de energia para produzir 500 MW de energia de fusão, 200 MW dos quais poderiam ser entregues à rede. É o suficiente para fornecer electricidade a 200 mil pessoas.
a look inside MIT’S C-Mod, which is only 0.68 meters in radius — the smallest fusion reactor with the strongest magnetic field in the world.
enquanto três outros dispositivos de fusão aproximadamente do mesmo tamanho que o arco foram construídos nos últimos 35 anos, eles não produziram em nenhum lugar perto de sua potência. O que diferencia o reator do MIT é a sua tecnologia supercondutora, que lhe permitiria criar 50 vezes a potência que ele realmente extrai. (MIT’s PSFC last year published a paper on the prototype ARC reactor in the peer reviewed journal ScienceDirect.)
Os ímãs potentes do reator de arco 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 vaso removível significa que um único dispositivo pode ser usado para testar muitos projetos de recipiente de vácuo.reatores de fusão funcionam por superaquecimento de hidrogênio gasoso em vácuo, a fusão de átomos de Hidrogênio Forma hélio. Tal como com a divisão de átomos nos reactores nucleares de fissão de hoje, a fusão liberta energia. O desafio com a fusão tem sido confinando o plasma (gás eletricamente carregado) enquanto aquecendo-o com microondas a temperaturas mais quentes do que o sol.
energia sustentável
o resultado da construção com sucesso de um reator de arco seria uma fonte abundante de energia limpa e confiável, porque o combustível necessário — isótopos de hidrogênio — está em suprimento ilimitado na Terra.o que fizemos foi estabelecer a base científica…para, de fato, mostrar que há um caminho viável na ciência da contenção deste plasma para produzir energia de fusão líquida — eventualmente”, disse Whyte.
A pesquisa de fusão hoje está no limiar de explorar o “plasma queimado”, através do qual o calor da reação de fusão é confinado dentro do plasma eficientemente suficiente para que a reação seja sustentada por longos períodos de tempo.
a look at the exterior of MIT’s c-Mod nuclear fusion device. O projecto C-Mod preparou o caminho para um reactor Arc conceptual.
normalmente, gás como hidrogênio é feito de moléculas neutras saltando ao redor. Quando se superaquece um gás, no entanto, os electrões separam-se dos núcleos criando uma sopa de partículas carregadas a circular a altas velocidades. Um campo magnético pode então pressionar essas partículas carregadas em uma forma condensada, forçando-as a fundir-se.o dilema de 40 anos de energia de fusão é que ninguém foi capaz de criar um reactor de fusão que produza mais energia do que a necessária para o seu funcionamento. Por outras palavras, é necessária mais energia para manter o plasma quente e gerar energia de fusão do que a energia de fusão que produz.o reactor tokamak, que funciona na Europa, chamado JET, detém o recorde mundial de criação de energia; gera 16 Mw de energia de fusão, mas exige 24 Mw de electricidade para funcionar.os pesquisadores do MIT, no entanto, acreditam que eles têm a resposta para o problema da energia líquida e estará disponível em um pacote relativamente pequeno em comparação com as usinas de fissão nuclear de hoje. Ao tornar o reactor mais pequeno, também torna a sua construção menos dispendiosa. Além disso, o arco seria modular, permitindo que suas muitas peças fossem removidas para reparos de atualizações, algo que não foi alcançado anteriormente.
What sets MIT’s fusion device apart
what alone MIT has done is create the world’s strongest magnetic containment field for a reactor its size. Quanto maior o campo magnético, maior a reação de fusão e maior a potência produzida.
“estamos altamente confiantes de que seremos capazes de mostrar que este meio pode produzir mais energia de fusão do que o necessário para mantê-lo quente”, disse Whyte.
A cutaway view of the proposed ARC reactor. Graças à poderosa nova tecnologia magnet, o reator arco muito menor, menos caro, forneceria a mesma potência de saída que um reator muito maior.
reatores de fusão teriam várias vantagens sobre os reatores nucleares de fissão de hoje. Por um lado, os reactores de fusão produziriam pouco lixo radioactivo. Reatores de fusão produzem o que são chamados de “produtos de ativação” com os nêutrons de fusão.
A Pequena quantidade de isótopos radioativos produzidos são de curta duração, com uma meia vida que dura dezenas de anos contra milhares de anos a partir de produtos de resíduos de fissão, disse Sorbom.os reactores também utilizariam menos energia para funcionar do que os reactores de fissão.enquanto a atual Alcator C-Mod do MIT não produz eletricidade, ela demonstra os efeitos de um campo de contenção magnética no plasma superaquecido, e por quente estamos falando de 100 milhões de graus Fahrenheit. Em comparação, o nosso Sol está um frio de 27 milhões de graus Fahrenheit.longe de ser perigoso, o plasma de 100 milhões de graus arrefece instantaneamente e retoma um estado gasoso quando toca os lados internos do reactor. É por isso que é necessário um poderoso campo magnético de contenção.assim como um reator nuclear de fissão, um reator de fusão seria essencialmente um motor a vapor. O calor da reação de fusão controlada é usado para transformar uma turbina a vapor que, por sua vez, aciona geradores elétricos.o actual dispositivo de fusão C-Mod do MIT utiliza deutério abundante como combustível plasmático. Deutério é um isótopo de hidrogênio que não é radioativo e pode ser extraído da água do mar.
a fim de criar um reator de arco conceitual, no entanto, um segundo isótopo de hidrogênio é necessário: trítio. Isso porque a velocidade a que os isótopos de Deutério-deutério se fundem é cerca de 200 vezes menor do que a velocidade a que os isótopos de Deutério-trítio se fundem.Trítio, embora radioactivo, tem apenas uma semi-vida de cerca de 10 anos. Embora o trítio não ocorra naturalmente, ele pode ser criado pelo bombardeio de lítio com nêutrons. Como resultado, ele pode ser facilmente produzido como uma fonte sustentável de combustível.com reatores de fusão, menores são melhores, enquanto o reator do MIT pode não se encaixar convenientemente no peito de Tony Stark (que é um filme afinal), seria o menor reator de fusão com a câmara de contenção magnética mais poderosa da terra. Produziria o poder de oito Teslas ou cerca de duas máquinas de ressonância magnética.em comparação, no sul da França, sete nações (incluindo os Estados Unidos),) têm colaborado 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 arco e pesa 3,400 toneladas — 16 vezes mais pesado do que qualquer recipiente de fusão previamente fabricado. O reator em forma de D terá entre 11 e 17 metros de tamanho e terá um raio de plasma tokamak de 6,2 metros, quase o dobro do raio de 3,3 metros do arco.
O conceito para o projeto ITER começou em 1985, e a construção começou em 2013. Tem um preço estimado entre 14 e 20 bilhões de dólares. Whyte, no entanto, acredita que o ITER acabará sendo muito mais caro, US $ 40 bilhões a US $ 50 bilhões, baseado no “fato de que a contribuição dos EUA” é de US $4 bilhões a US $5 bilhões, “e nós somos parceiros de 9%.”
adicionalmente, o calendário para a conclusão do ITER é 2020, com experimentos de fusão deutério-trítio completo começando em 2027.quando concluído, espera-se que o ITER seja o primeiro reator de fusão a gerar energia líquida, mas essa energia não produz eletricidade; ele simplesmente preparará o caminho para um reator que possa.
o reator ARC do MIT é projetado para custar US $ 4 bilhões a US $ 5 bilhões dólares e poderia ser concluído em um período de quatro a cinco anos, disse Sorbom.
A razão arco poderia ser concluída mais cedo e a um décimo do custo do ITER é devido ao seu tamanho e o uso dos novos supercondutores de alto campo que operam a temperaturas mais elevadas do que os supercondutores típicos.normalmente, os reactores de fusão utilizam super condutores de baixa temperatura como bobinas magnéticas. As bobinas devem arrefecer 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 de bário de terras raras (REBCO) para suas bobinas magnéticas, o que é muito menos caro e eficiente. É claro que” alta temperatura ” é relativa: as bobinas de REBCO operam a 100 graus Kelvin, ou cerca de menos 280 graus Fahrenheit, mas isso é quente o suficiente para usar nitrogênio líquido abundante como um agente de refrigeração.
In his left hand, Brandon Sorbom holds a rare-earth barium copper oxide (REBCO) superconducting tape used in the fusion reactor’s magnetic coils. Na sua mão direita está um típico cabo eléctrico de cobre. O uso da nova fita super condutora reduz os custos e permite ao MIT usar nitrogênio líquido abundante como um agente de refrigeração.
“The enabling technology to be able to shrink the fusion device size is this new superconducting technology”, Sorbom said. “Enquanto os supercondutores existem desde o final da década de 1980 em laboratórios, nos últimos cinco anos, mais ou menos, as empresas vêm comercializando essas coisas em fitas para projetos de grande escala como esse.”
além de tamanho e custo, a fita de REBCO também é capaz de aumentar a energia de fusão 10 vezes em comparação com a tecnologia padrão supercondutora.
antes que o arco do MIT possa ser construído, no entanto, os pesquisadores devem primeiro provar que eles podem sustentar uma reação de fusão. Atualmente, o reator C-Mod do MIT funciona apenas alguns segundos de cada vez que é ligado. Na verdade, ele requer tanta energia, que o MIT deve usar um transformador buffer, a fim de armazenar eletricidade suficiente para executá-lo sem queimar 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 de arco faria
assim, antes de construir o reator de arco, o próximo dispositivo de fusão do MIT — o Advanced Diversor and RF tokamak eXperiment (ADX) — testará vários meios para lidar eficazmente com as temperaturas semelhantes ao sol sem degradar o desempenho do plasma.após alcançar um desempenho sustentável, o arco determinará se a geração de energia líquida é possível. O último obstáculo antes dos reactores de fusão poderem fornecer energia à rede é transferir o calor para um gerador.
Os Federais cortaram o financiamento
o reator c-Mod tokamak do MIT é uma das três maiores instalações de pesquisa de fusão nos Estados Unidos, juntamente com DIII-D na General Atomics e o National Spherical Torus Experiment Upgrade (NSTX-U) no Princeton Plasme Physics Laboratory.
a researcher works inside of the Wendelstein 7-X (W7-X) an experimental nuclear fusion reactor built in Greifswald, Germany, by the Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP). O reator, concluído em outubro de 2015, é o maior até à data.
lançando uma chave nos seus esforços, o MIT soube no início deste ano que o financiamento para o seu reactor de fusão sob o Departamento de energia (DOE) está a chegar ao fim. A decisão de encerrar o Alcator C-Mod foi impulsionada por restrições orçamentais, de acordo com Edmund Synakowski, Diretor Associado da ciência para as ciências da energia de fusão (FES) no DOE.
no orçamento atual, o Congresso forneceu US $ 18 milhões para o C-Mod do MIT, que irá apoiar pelo menos cinco semanas de operações em seu último ano e cobrir os custos associados com o encerramento da instalação, Synakowski disse em uma resposta por e-mail para a Computerworld. (Pesquisadores esperam encontrar outras fontes de financiamento para compensar a perda.)
A PSFC tem cerca de 50 Ph.D os estudantes que trabalham no desenvolvimento da energia de fusão. Estudantes do passado deixaram o MIT para começar suas próprias empresas ou desenvolver projetos acadêmicos fora do MIT.
certificando-se de que cientistas e estudantes do MIT pode fazer a transição para colaborações em outros DOE-financiado investigação em energia de fusão instalações nos EUA, especialmente os dois principais instalações: DIII-D, a General Atomics, em San Diego, e NSTX-U em Princeton Laboratório de Física de Plasma-tem sido “uma das principais preocupações,” Synakowski disse.ao longo do último ano fiscal, a FES trabalhou com a MIT para estabelecer um novo Acordo de cooperação de cinco anos, com início em Setembro. 1, 2015, para permitir aos seus cientistas a transição para colaborações financiadas pelo FES.Whyte, no entanto, acredita que a promessa de energia de fusão é muito importante para a investigação terminar.
“a fusão é muito importante para ter apenas um caminho para ela”, disse Whyte. “O meu lema é menor e mais cedo. Se pudermos a tecnologia que nos permite acessar dispositivos menores e construir uma variedade deles… em seguida, isso nos permite chegar a um lugar onde temos mais opções sobre a mesa para desenvolver a fusão em uma escala de tempo mais rápida.”
e, segundo Whyte, a base científica para pequenos reatores de fusão foi estabelecida no MIT.
” Nós fizemos isso apesar do fato de que temos a menor das grandes experiências ao redor do mundo. Na verdade, temos o recorde de conseguir a pressão deste plasma. A pressão é uma das barras fundamentais que você tem que superar”, disse Whyte. “Estamos muito entusiasmados com isto.”