Os tokamaks dependem de um eletroímã central conhecido como solenóide para produzir correntes elétricas e campos magnéticos que confinam o plasma – um estado de matéria quente e carregado composto de elétrons livres e núcleos atômicos – para que as reações de fusão possam ocorrer. No entanto, após ser submetido a partículas subatômicas energéticas conhecidas como nêutrons emitidos pelo plasma ao longo do tempo, o isolamento ao redor dos fios do eletroímã pode se deteriorar. Se o fizerem, o ímã pode falhar, limitando a capacidade do tokamak de aproveitar a energia de fusão.
O metal funciona como isolante nesta nova forma de ímã, evitando que partículas o danifiquem. Além disso, ele operaria em temperaturas mais altas do que os eletroímãs supercondutores existentes, tornando-o mais simples de manter. A fusão, o poder que alimenta o sol e as estrelas, combina elementos de luz na forma de plasma para produzir enormes quantidades de energia. Os cientistas estão tentando replicar a fusão na Terra para produzir uma fonte quase infinita de energia para gerar eletricidade.
“Nossa inovação simplifica o processo de fabricação e torna o ímã mais tolerante à radiação produzida pelas reações de fusão”, disse Yuhu Zhai, engenheiro principal da PPPL e principal autor de um artigo relatando os resultados em Superconductor Science and Technology.
“Se estamos projetando uma usina de energia que funcionará continuamente por horas ou dias, não podemos usar ímãs atuais”, disse Zhai. “Essas instalações produzirão mais partículas de alta energia do que as atuais instalações experimentais. Os ímãs em produção hoje não durariam o suficiente para instalações futuras, como usinas comerciais de fusão.”
Os eletroímãs diferem dos simples ímãs permanentes que prendem obras de arte nas portas da geladeira. Os eletroímãs consistem em uma bobina de fio isolado que transporta uma corrente elétrica que gera um campo magnético à medida que flui. Os eletroímãs são usados em dispositivos que variam de tokamaks a guindastes que levantam carros esmagados em lixões e dispositivos de imagem por ressonância magnética que escaneiam o interior de corpos humanos.
Zhai e outros construíram um protótipo de ímã e obtiveram resultados encorajadores. “Durante nossos testes, nosso ímã produziu cerca de 83% da quantidade máxima de corrente elétrica que os fios podem transportar, uma quantidade muito boa”, disse ele. “Os cientistas normalmente usam apenas 70% da capacidade de corrente elétrica do fio supercondutor ao projetar e construir ímãs de alta potência. E ímãs de grande escala como os usados no ITER, a instalação internacional de fusão que está sendo construída na França, geralmente usam apenas 50%”.
Os novos ímãs têm fios construídos com os elementos nióbio, às vezes usados em motores a jato, e estanho. Quando aquecidos de uma maneira especial, esses elementos formam um supercondutor que permite que a corrente elétrica flua através dele a temperaturas extremamente baixas sem resistência. Portanto, há muito menos necessidade de isolamento para evitar fugas de corrente.
“Esse novo conceito é interessante porque permite que o ímã transporte muita corrente elétrica em um pequeno espaço, reduzindo a quantidade de volume que o ímã ocupa em um tokamak”, disse o engenheiro-chefe da PPPL, Robert Ellis. “Este ímã também pode operar em densidades de corrente mais altas e campos magnéticos mais fortes do que os ímãs hoje. Ambas as qualidades são importantes e podem levar a custos mais baixos.”
Em suma, o novo desenvolvimento poderia beneficiar profundamente o desenvolvimento da energia de fusão. “Esta é uma mudança revolucionária na forma como você faz eletroímãs”, disse Michael Zarnstorff, diretor de ciências do PPPL. “Ao criar um ímã apenas com metal e eliminar a necessidade de usar isolamento, você se livra de muitas etapas caras e reduz o número de oportunidades de mau funcionamento da bobina. Isso é algo realmente importante.”
Zhai e colaboradores em todo o país e no mundo agora estão trabalhando com a indústria privada para desenvolver ainda mais um protótipo sem isolamento. Este novo tipo de eletroímã baseado em supercondutor de alta temperatura que pode ser um componente fundamental de uma usina piloto de fusão.
Referência: “Projeto, construção e teste de solenóides de pequena subescala sem isolamento para tokamaks compactos” por Yuhu Zhai, Bruce Berlinger, Christian Barth e Carmine Senatore, 31 de agosto de 2021, Superconductor Science and Technology.
DOI: 10.1088/1361-6668/ac1d95
A pesquisa para este artigo foi apoiada pelo Escritório de Ciências do DOE (Fusion Energy Sciences) e pela Princeton-University of Geneva International Research Partnership Grant. Colaboradores incluem Bruce Berlinger (PPPL), Christian Barth (CERN, a Organização Europeia para Pesquisa Nuclear) e Carmine Senatore (Universidade de Genebra, na Suíça).
O PPPL, no Campus Forrestal da Universidade de Princeton em Plainsboro, N.J., dedica-se a criar novos conhecimentos sobre a física dos plasmas – gases carregados ultraquentes – e ao desenvolvimento de soluções práticas para a criação de energia de fusão.
Publicado em 30/04/2022 18h50
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