Futuros reatores de energia de fusão tokamak gerarão calor além do que os materiais atuais podem suportar. Os cientistas propuseram vários métodos para resfriar a borda do combustível de fusão magneticamente confinado, ou plasma, para proteger as paredes do tokamak circundante. Uma abordagem é injetar impurezas na forma de gases para ajudar a irradiar o excesso de calor. No entanto, há uma gama limitada de gases que podem ser injetados, e alguns gases reagem mal com o combustível de fusão de hidrogênio.
Uma nova abordagem utiliza impurezas em forma de pó. Isso permite que os pesquisadores introduzam uma quantidade considerável de material diretamente no sistema de exaustão, muito mais do que com qualquer técnica de injeção de gás. Isso leva a um cenário promissor que reduz os fluxos de calor de pico que atingem a parede do tokamak.
A radiação uniforme é importante para uma região específica do tokamak chamada de desvio. Esta região esgota o calor concentrado e as partículas, então experimenta fluxos de calor potencialmente prejudiciais. Os operadores da planta podem injetar impurezas para absorver o calor dessas partículas e liberá-lo como luz. Isso resfria a borda do plasma, criando uma almofada protetora de gás que ajuda a espalhar o calor e as partículas uniformemente pelo desviador.
O uso de pós no lugar de gases amplia a gama de possíveis impurezas que podem ser injetadas em um tokamak. Os pós também podem ser entregues com maior pureza que os gases, reduzindo a diluição do combustível e permitindo um melhor controle do plasma de fusão. No entanto, a entrega do pó ainda é relativamente lenta e os pesquisadores precisarão melhorar esses métodos para reagir às mudanças nas condições do plasma.
Trabalhos futuros combinarão injeção de pó para controle de exaustão com otimização do desempenho de fusão no núcleo de plasma. Essas etapas ajudarão os cientistas de fusão a demonstrar como esses métodos funcionariam em um reator de fusão em funcionamento.
Resumo
Os métodos típicos de injeção de impurezas tokamak empregam gases como nitrogênio. Embora o uso de gás simplifique a introdução de impurezas no plasma, a faixa de gases apropriados é limitada, e esses gases geralmente reagem negativamente com o combustível de hidrogênio. Uma equipe de pesquisa que trabalha no DIII-D National Fusion Facility, uma instalação do usuário do Departamento de Energia (DOE), experimentou a injeção de boro, nitreto de boro e pós de lítio. O lítio, em particular, é atraente devido ao seu uso potencial como candidato para paredes de metal líquido propostas em futuros tokamaks, o que permitiria que o calor se espalhasse e fosse conduzido com eficiência e segurança.
Durante os experimentos, as medições mostraram aumento da emissão de luz (radiação) e reduções associadas no pico de fluxo de calor atingindo as superfícies das paredes. Ao mesmo tempo, a injeção de pó melhorou as condições da parede e reduziu a diluição do combustível por meio de impurezas. Tanto o lítio quanto o nitreto de boro causaram um aumento substancial na pressão do gás no desviador.
As características e distribuição de radiação observadas durante a injeção de pó também foram vistas em simulações de computador modelando o experimento. As simulações mostraram que materiais com tamanhos de partículas menores tendem a sofrer ablação imediatamente no local de injeção e migram de forma semelhante a um gás. Partículas maiores podem percorrer distâncias maiores antes de serem totalmente ablacionadas e ionizadas.
As simulações mostram que a escolha do material e do tamanho das partículas permite controlar a deposição e a localização do local de resfriamento. Entender esse efeito nos experimentos e por meio de simulações computacionais possibilita incluí-lo em projetos de reatores. A incorporação de injeção de pó em futuros projetos de reatores pode permitir que eles mantenham altos níveis de desempenho de fusão enquanto aumentam a vida útil das superfícies de desvio.
Os detalhes desses experimentos foram publicados em Materiais e Energia Nuclear.
Publicado em 10/03/2022 10h36
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