Por 30 anos, o Asdex Upgrade tem pavimentado o caminho para uma usina de fusão que gera energia neutra para o clima. A planta de fusão tokamak foi repetidamente expandida e melhorada durante esse tempo. Não apenas por esse motivo, ele fornece inúmeras percepções que são incorporadas ao projeto e à operação de outras usinas de fusão. Por exemplo, a equipe de atualização da Asdex desenvolveu cenários para a operação da planta de teste do Jet no Reino Unido e da planta de teste Iter na França, bem como previsões para uma planta de demonstração planejada. Uma conversão planejada para meados de 2022 visa preparar a planta para o futuro.
O objetivo da pesquisa de fusão é desenvolver uma usina de energia que respeite o clima e o meio ambiente. Como o sol, seu objetivo é derivar energia da fusão de núcleos atômicos. O combustível para isso é um gás hidrogênio ionizado extremamente fino – um plasma. Para acender o fogo de fusão, o plasma deve ser encerrado em campos magnéticos quase sem contato e aquecido a mais de 100 milhões de graus.
A fim de regular a interação entre o combustível quente e as paredes circundantes, os cientistas do Instituto Max Planck de Física do Plasma equiparam o Asdex Upgrade com um divertor, que deu à planta o seu nome: experimento de divertor simétrico axial. Por meio de um campo magnético adicional, o campo divertor remove as impurezas do plasma e melhora seu isolamento térmico.
No entanto, em contraste com seu predecessor Asdex, o Asdex Upgrade, o divertor e propriedades importantes do plasma, especialmente a densidade e a carga nas paredes, estão mais intimamente adaptados às condições em uma usina posterior. Equipado com um aquecedor de plasma poderoso e equipamento de medição sofisticado para observar o plasma, o Asdex Upgrade pode, portanto, ser usado para desenvolver modos de operação para uma usina potencial. Em 38.700 descargas de plasma até o momento, a usina respondeu a questões essenciais de pesquisa para o experimento conjunto europeu Jet e o reator experimental internacional Iter, bem como uma usina de demonstração planejada.
Uma parede de tungstênio para o vaso de plasma
Com a atualização do Asdex, os pesquisadores deram um passo significativo em direção a uma futura usina de fusão ao revestir a parede do vaso de plasma com tungstênio em vez de carbono. O carbono tem vantagens consideráveis para plantas experimentais. No entanto, não é adequado para a operação de uma usina de energia porque é fortemente erodido pelo plasma e liga muito combustível a si mesmo. Por causa de seu alto ponto de fusão, o tungstênio é adequado como material de parede – pelo menos em princípio. Mas o plasma esfria rapidamente por causa mesmo das menores impurezas nos átomos de tungstênio que são repetidamente liberadas da parede. Depois de muita experimentação, a equipe de atualização do Asdex conseguiu lidar com esse problema.
Consequências diretas desse sucesso: Em uma grande reconstrução, o experimento conjunto europeu Jet recebeu um divertor de tungstênio em 2011. A equipe do reator experimental internacional Iter decidiu renunciar aos experimentos inicialmente planejados com um divertor de carbono e ir direto para o tungstênio. O tungstênio também é o material de referência para a usina de demonstração.
A injeção de hidrogênio evita instabilidades
Na interação das partículas carregadas de plasma com o campo magnético confinante, podem ocorrer vários distúrbios do confinamento do plasma. Isso inclui instabilidades na borda do plasma ou ELMs (modos localizados na borda). No processo, o plasma da borda perde brevemente seu confinamento e, periodicamente, lança partículas de plasma e energia para fora das paredes dos vasos. Embora as plantas de médio porte, como a Asdex Upgrade, sejam capazes de lidar com isso, o divertor em grandes plantas como a Iter pode ficar sobrecarregado. Para solucionar este problema, foram desenvolvidos procedimentos de prevenção de instabilidades para o Asdex Upgrade. Dezesseis pequenas bobinas magnéticas no vaso de plasma suprimem completamente a instabilidade com seus campos. Um segundo método começa na borda mais externa do plasma. Se a forma correta do plasma puder ser definida – por meio do campo magnético – ao mesmo tempo em que garante uma densidade de partículas suficientemente alta – injetando hidrogênio – os ELMs não podem se desenvolver.
Garantinda operação contínua
A operação contínua é garantida por usinas de fusão do tipo tokamak – como o Asdex Upgrade, Jet ou Iter – que constroem a gaiola magnética com dois campos magnéticos sobrepostos: um campo em forma de anel gerado por bobinas magnéticas externas e o campo de uma corrente fluindo no plasma. Ao combinar os campos magnéticos, as linhas de campo são torcidas de forma que envolvem o plasma. A corrente de plasma é normalmente induzida em forma de pulso por uma bobina de transformador no plasma. Ao contrário dos stellarators mais complicados, todo o sistema opera em pulsos – uma deficiência dos tokamaks.
Cientistas do Instituto Max Planck de Física do Plasma estão, portanto, investigando vários métodos de geração contínua de corrente no plasma. Por exemplo, ao injetar ondas de alta frequência ou feixes de partículas que conduzem uma corrente adicional no plasma. Assim, eles conseguiram operar o sistema quase sem um transformador – e pela primeira vez em uma máquina com uma parede interna metálica praticamente relevante. Se o Asdex Upgrade não tivesse sido equipado com bobinas de cobre normalmente condutoras, mas sim bobinas magnéticas supercondutoras (como era o caso do Iter), esta fase poderia ter sido estendida por muito mais tempo – potencialmente até a operação contínua.
O que vai acontecer à seguir
Durante os 30 anos de operação do Asdex Upgrade, a forma do divertor foi alterada e otimizada várias vezes. Os pesquisadores agora querem dar um passo adiante e testar um novo conceito de divertor. Duas bobinas magnéticas adicionais no teto do recipiente de plasma destinam-se a espalhar o campo divertor de modo que a energia do plasma seja distribuída por uma área maior. A montagem das bobinas está programada para começar em meados de 2022. Essas expansões também permitirão futuras investigações no tokamak de Garching para resolver os problemas de uma futura usina de demonstração. “De muitas maneiras, o Asdex Upgrade pode ser visto como um projeto para uma usina de fusão tokamak”, disse o líder do projeto, Arne Kallenbach. “Junto com códigos de computador recém-desenvolvidos, as descargas de amostra desenvolvidas ao longo de 30 anos fornecem informações confiáveis para uma usina de energia.”
Publicado em 28/03/2021 21h53
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