doi.org/10.1088/1741-4326/ad57d2
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#Fusão
Cientistas do Laboratório de Física de Plasma de Princeton são pioneiros no uso de lítio líquido em tokamaks esféricos para melhorar o desempenho da fusão
Simulações de computador recentes sugerem o posicionamento ideal do vapor de lítio para proteger o interior do tokamak do calor intenso do plasma. Configurações inovadoras, como a “caverna” de lítio e paredes porosas voltadas para o plasma, visam simplificar o design e melhorar a dissipação de calor, contribuindo para o futuro da energia de fusão.
Dentro da próxima geração de vasos de fusão conhecidos como tokamaks esféricos, cientistas do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA imaginaram uma região quente com metal líquido fluindo que lembra uma caverna subterrânea. Pesquisadores dizem que a evaporação do metal líquido pode proteger o interior do tokamak do calor intenso do plasma. É uma ideia que remonta a várias décadas e está ligada a um dos pontos fortes do laboratório: trabalhar com metais líquidos.
Avançando o design do Tokamak com metais líquidos
A experiência da PPPL no uso de metais líquidos, particularmente lítio líquido, para desempenho de fusão aprimorado está ajudando a refinar ideias sobre como ele pode ser melhor implantado dentro de um tokamak, – disse Rajesh Maingi, chefe de ciência experimental de tokamak da PPPL e coautor de um novo artigo no periódico Nuclear Fusion detalhando o posicionamento proposto do lítio.
Recentemente, pesquisadores têm executado simulações de computador para encontrar o melhor lugar para uma caverna de vapor de lítio – dentro do recipiente de fusão. Para atingir a fusão comercial, cada parte do tokamak em forma de donut precisa ser colocada com precisão. A ideia por trás de uma caverna de vapor de lítio é manter o lítio na camada limite longe do plasma quente do núcleo de fusão, mas perto do excesso de calor. Um evaporador, uma superfície aquecida para ferver átomos de lítio, coloca as partículas de vapor de lítio no curso ideal para onde a maior parte do excesso de calor tende a se acumular.
Os cientistas consideraram três opções em termos de posicionamento da caverna. A caverna de vapor de lítio pode estar localizada na parte inferior do tokamak, perto da chaminé central, em uma área conhecida como região de fluxo privado; pode estar na borda externa, que é conhecida como região de fluxo comum; ou o vapor de lítio pode vir de ambas as regiões.
Agora, os resultados de várias simulações de computador determinaram que o melhor local para a caverna de vapor de lítio é perto da parte inferior do tokamak, perto da chaminé central. As novas simulações refletem informações adicionais: elas são as primeiras considerando colisões entre partículas neutras, que não têm carga líquida positiva ou negativa.
Benefícios da colocação de lítio na região de fluxo privado
O evaporador de lítio realmente não funciona a menos que seja colocado na região de fluxo privado,- disse Eric Emdee, um físico de pesquisa associado na PPPL e autor principal do novo artigo. Quando o lítio é evaporado na região de fluxo privado, as partículas se tornam íons carregados positivamente em uma região com muito calor em excesso, protegendo as paredes próximas. Uma vez que as partículas de lítio são ionizadas, elas obedecem aos mesmos campos magnéticos que o plasma, espalhando e dissipando o calor para que ele atinja uma área maior do tokamak e reduza o risco de componentes derreterem.
A região de fluxo privado também é o alvo ideal para o lítio evaporado porque é separada do plasma central, que precisa permanecer quente. Você não quer que seu plasma central fique sujo com lítio e esfrie, mas também quer que o lítio faça alguma mitigação de calor antes de sair da caverna,- disse ele.
Revisando a contenção de lítio – da caixa para a caverna
Os pesquisadores originalmente pensaram que o lítio seria melhor alojado em uma caixa de metal – com uma abertura no topo. O plasma fluiria para a lacuna para que o lítio pudesse dissipar o calor do plasma antes de atingir as paredes de metal.
Agora, os pesquisadores dizem que uma caverna geometricamente apenas a metade interna de uma caixa cheia de vapor de lítio seria mais simples do que uma caixa. A diferença é mais do que apenas semântica: ela afeta onde o lítio viaja e quão efetivamente ele dissipa o calor.
Por anos, pensamos que precisávamos de uma caixa completa de quatro lados, mas agora sabemos que podemos fazer algo muito mais simples, – disse Emdee. Dados de novas simulações os apontaram em uma direção diferente quando a equipe de pesquisa percebeu que eles poderiam conter o lítio tão bem se cortassem sua caixa ao meio. Agora nós a chamamos de caverna, – disse Emdee.
Na configuração da caverna, o dispositivo teria paredes na parte superior, inferior e lateral mais próximas do centro do tokamak. Isso otimiza o caminho para a evaporação do lítio, colocando-o em um curso melhor para capturar o máximo de calor da região de fluxo privada, ao mesmo tempo em que minimiza a complexidade do dispositivo.
Novas abordagens para gerenciamento de calor
Outra abordagem proposta pelos cientistas do PPPL no novo artigo poderia atingir o mesmo efeito de resfriamento de calor sem modificar drasticamente o formato da parede do tokamak. Nessa abordagem, o lítio líquido flui rapidamente sob uma parede porosa voltada para o plasma. Essa parede estaria localizada onde o excesso de calor impacta mais o tokamak: no desviador. A parede porosa permite que o lítio penetre na superfície diretamente voltada para o aquecimento do plasma, de modo que o lítio líquido é entregue exatamente onde é mais necessário: na área de maior intensidade de calor. Esse sistema poroso capilar é explicado em um artigo anterior publicado no periódico Physics of Plasmas.
O principal autor desse artigo, o analista de engenharia principal do PPPL, Andrei Khodak, disse que prefere a ideia de usar uma parede porosa voltada para o plasma por si só, como ladrilhos embutidos no tokamak. A vantagem da parede porosa voltada para o plasma é que você não precisa alterar o formato do recipiente de confinamento. Você pode simplesmente trocar o ladrilho,- disse Khodak. Khodak também foi coautor do novo artigo, junto com o ex-diretor do laboratório Robert Goldston.
Ter evaporação de lítio na superfície do desviador leva a um forte acoplamento entre a borda do plasma e o componente voltado para o plasma em termos de transferência de calor e massa porque o aquecimento do plasma levará à evaporação do lítio, o que, por sua vez, mudará o fluxo de calor do plasma para o componente voltado para o plasma de lítio líquido. Um novo modelo, descrito em um artigo dos mesmos autores no IEEE Transactions on Plasma Science, é responsável por esse forte acoplamento bidirecional. Cientistas e engenheiros do PPPL continuarão a testar e desenvolver suas ideias como parte de sua missão principal de tornar a fusão uma parte importante da rede elétrica.
Publicado em 28/08/2024 20h50
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