- O dispositivo experimental de fusão nuclear Wendelstein 7-X, em Greifswald, superou a meta de 1 gigajoule prevista para 2023 e alcançou 1,3 gigajoule de conversão de energia após ser religado no outono de 2022
- O valor registrado em 15 de fevereiro de 2023 é 17 vezes maior que o recorde anterior à reforma, de 75 megajoules, mostrando o efeito das obras de conclusão do equipamento
- A conversão de energia é o produto da potência de aquecimento acoplada ao plasma pelo tempo de duração da descarga, e neste experimento o plasma foi mantido por 480 segundos com média de 2,7 megawatts
- Com 3 anos de obras de conclusão, foi adicionado um sistema de resfriamento a água aos elementos da parede e o sistema de aquecimento foi atualizado, permitindo acoplar ao plasma o dobro da potência de antes
- A próxima meta é elevar isso para 18 gigajoules nos próximos anos e manter o plasma estável por 30 minutos
1,3 gigajoule e o recorde de descarga de 8 minutos
- O Wendelstein 7-X superou a meta de 1 gigajoule de conversão de energia prevista para 2023 e chegou a 1,3 gigajoule
- No experimento de 15 de fevereiro de 2023, registrou um valor 17 vezes maior que o recorde anterior à reforma, de 75 megajoules
- A conversão de energia é calculada multiplicando a potência de aquecimento acoplada ao plasma pela duração da descarga
- Para operar uma usina, é necessário acoplar grandes quantidades de energia ao plasma por muito tempo e, ao mesmo tempo, remover o calor gerado
Parede resfriada a água e upgrade do sistema de aquecimento
- O Wendelstein 7-X passou por 3 anos de obras de conclusão, que seguiram até o verão de 2022
- As principais mudanças foram a refrigeração a água dos elementos da parede e o upgrade do sistema de aquecimento
- O sistema de aquecimento atualizado consegue acoplar ao plasma o dobro da potência em relação a antes
- Após a conclusão do equipamento, o Wendelstein 7-X passou a poder operar em uma faixa mais ampla de parâmetros
- Thomas Klinger, do IPP, afirmou que é preciso avançar gradualmente para valores de energia mais altos, sem sobrecarregar nem danificar o equipamento
A estrutura do divertor responsável por remover o calor
- O Wendelstein 7-X usa placas defletoras do divertor com alta resistência térmica para remover os maiores fluxos de calor
- Essas placas fazem parte da parede interna e, após a conclusão do equipamento, são resfriadas por um sistema de tubulação de água com 6,8 km de extensão
- Atualmente, não há outro dispositivo de fusão no mundo com resfriamento tão abrangente de toda a parede interna quanto o Wendelstein 7-X
- As imagens infravermelhas mostram não o plasma em si, mas a distribuição de temperatura do divertor resfriado a água
- A linha na região central onde o plasma toca o divertor aparece como strike line
- Algumas áreas chegam a no máximo 600 graus Celsius
- Os ladrilhos do divertor podem suportar até 1.200 graus Celsius
Condições de aquecimento que permitiram a descarga de 480 segundos
- O aquecimento do plasma no Wendelstein 7-X é composto por três elementos
- Aquecimento iônico instalado recentemente
- Aquecimento por injeção de partículas neutras
- Aquecimento por micro-ondas de elétrons
- Neste recorde, o sistema de aquecimento por micro-ondas de elétrons foi especialmente importante
- Esse sistema pode fornecer grande potência durante vários minutos
- A conversão de energia de 1,3 gigajoule foi alcançada com potência média de aquecimento de 2,7 megawatts
- A descarga de plasma durou 480 segundos, ou seja, 8 minutos
- É o novo recorde de tempo de descarga do Wendelstein 7-X
- Também está entre os melhores valores do mundo
- Antes das obras de conclusão, o tempo máximo de plasma do Wendelstein 7-X era de 100 segundos com potência de aquecimento muito menor
Meta de 18 gigajoules e pesquisa com stellarator
- O Wendelstein 7-X tem como meta elevar a conversão de energia para 18 gigajoules nos próximos anos
- Para isso, será necessário manter o plasma estável por 30 minutos
- A pesquisa em fusão nuclear busca desenvolver usinas favoráveis ao clima e ao meio ambiente, produzindo energia pela fusão de núcleos atômicos, de forma semelhante ao Sol
- O Max Planck Institute for Plasma Physics pesquisa a rota da fusão nuclear por confinamento magnético
- A reação de fusão só entra em ignição acima de 100 milhões de graus Celsius
- O combustível de plasma fino de hidrogênio não pode entrar em contato com as paredes frias do recipiente
- Preso por campos magnéticos, o plasma flutua dentro da câmara de vácuo quase sem contato
- A gaiola de campo magnético do Wendelstein 7-X é formada por um anel de 50 bobinas magnéticas supercondutoras
- O equipamento é do tipo stellarator, e o formato especial das bobinas é resultado de cálculos sofisticados de otimização
- Com essas bobinas, o objetivo é fazer com que a qualidade de confinamento do plasma no stellarator alcance o nível da abordagem concorrente, os dispositivos tokamak
1 comentários
Opiniões do Hacker News
Ah, então o Wendelstein era aquele reator de fusão stellarator. O stellarator é um projeto realmente muito legal e uma alternativa ao tokamak.
O tokamak é um reator em formato de rosquinha, mas tem o problema de o plasma no lado externo do anel ficar menos confinado magneticamente. O stellarator é parecido, mas confina o plasma como uma fita e o dobra para cima em um arranjo semelhante a uma fita de Möbius.
Eu já tive bastante interesse nessa área, mas acabei esquecendo depois de alguns anos. É bom ver que ele realmente funciona.
https://en.wikipedia.org/wiki/Stellarator
Ainda me lembro do momento em que entendi radianos o suficiente para entender de verdade círculos e formas de onda. Passei anos apenas resolvendo problemas sem saber muito bem o que estava fazendo, mas, quando finalmente entendi, senti como se algo tivesse mudado na minha cabeça.
Eu queria pensar como uma fita de Möbius, mas meu cérebro agora está mais para “dispenso”.
Mais interessante ainda é que o fusor, o projeto mais simples possível para um reator termonuclear, parece ter sido inventado depois do stellarator e do tokamak. Ele é simples a ponto de ser relativamente fácil de construir se você tiver boa habilidade em engenharia elétrica e acesso a equipamentos civis adequados.
Dito isso, pessoalmente nunca gostei muito do projeto do stellarator. A própria complexidade dele me dá uma sensação sutil de estar empurrando algo ainda mais na direção errada.
Mesmo assim, em um caso como este, eu sinceramente espero que provem que estou errado. Essa área já precisa de um grande avanço há muito tempo.
O stellarator é, em teoria, um projeto superior ao tokamak, concebido para cancelar a força JxB. Aqui, J é a corrente que flui pelo plasma, e B é o campo magnético que guia o plasma dentro do dispositivo.
Se o plasma for torcido em uma forma helicoidal na qual a rotação de B, ou seja, o valor proporcional a J, fique paralela a B, o produto vetorial vira zero e, portanto, não há força magneto-hidrodinâmica líquida atuando sobre o plasma.
As tolerâncias eram apertadas demais, e elas falharam várias vezes em encaixar tudo dentro das restrições.
Fiquei curioso sobre o que significa energy turnover aqui.
Pesquisando, encontrei: “Energy turnover is defined as the amount of heat multiplied by the duration of the discharge[1].” Aqui, “amount of heat” provavelmente quer dizer “potência de aquecimento transferida ao plasma”. Para que, ao multiplicar pelo tempo, o resultado seja em joules, o valor inicial precisa ser potência.
1: https://gigazine.net/gsc_news/en/20230227-wendelstein-7-x-en...
O número é que “mantiveram a descarga por 480 segundos com uma potência média de aquecimento de 2,7 megawatts, alcançando 1,3 gigajoule de energy turnover”.
Também diz que “nos próximos anos, o plano é aumentar o energy turnover do Wendelstein 7-X para 18 gigajoules e manter o plasma estável por 30 minutos”. Ou seja, seria manter 10 megawatts por 30 minutos.
Pode ser uma pergunta óbvia, mas ainda assim quero fazer. Como a energia elétrica gerada aqui é convertida em eletricidade utilizável?
Sei que, em um reator de fissão nuclear comum, o calor da fissão aciona uma turbina a vapor. Mas, se o plasma é extremamente quente e precisa ser mantido suspenso por campos magnéticos para não tocar nas paredes do vaso de contenção, como esse calor pode ser transferido para outro meio e gerar eletricidade?
A maior parte da energia da reação é carregada por nêutrons de alta energia. Portanto, para recuperar a energia, é preciso “capturar” esses nêutrons. Como nêutrons não têm carga elétrica, não conseguem gerar eletricidade diretamente; no fim, só resta aproveitá-los como calor
O problema é que, justamente por serem eletricamente neutros, também são relativamente difíceis de capturar. É preciso um material denso, com alta probabilidade de colisão com núcleos atômicos. Os projetos propostos normalmente usam uma manta de metal líquido circulando ao redor do reator, que é enviada para um ponto onde ferve água, produz vapor e aciona uma turbina
O metal mais citado é o lítio, que também tem a vantagem de poder produzir trítio ao ser atingido por nêutrons. O trítio corresponde à metade muito rara do combustível da reação
Para quem entende alemão, recomendo os episódios em que os apresentadores do podcast Alternativlos visitaram o local duas vezes e conversaram longamente com os pesquisadores. É aquele clima de nerds conversando entre si, então, se você entende o idioma, é realmente divertido
https://alternativlos.org/36/ (2016)
https://alternativlos.org/51/ (o mais recente, maio de 2023)
Este dispositivo não foi configurado especificamente para isso e, até onde sei, ainda não existe um dispositivo assim. Do ponto de vista de engenharia, é um problema relativamente simples, e não há muita necessidade de construí-lo antes que seja possível manter a fusão por meses
Dito isso, o método que a Helion Energy está desenvolvendo é um dos conceitos promissores de fusão que não exigem todo esse processo. Ainda não conseguiu produzir potência líquida, mas a ideia tem potencial e evita problemas comuns de outros métodos de geração por fusão. Não vejo isso como a resposta definitiva para a área, mas parece bem possível que sirva como uma transição entre grandes stellarators e a fissão
Mas, pelo que sei, o Wendelstein não foi configurado para produção de eletricidade; atualmente, o resfriamento é literalmente apenas resfriamento
Gosto muito dessa equipe. Dentro do plano de caracterizar e controlar completamente o fluxo de fusão, eles vêm derrubando um desafio de engenharia após o outro
Na corrida por uma usina de fusão funcional, às vezes parecem uma tartaruga, mas estão respondendo a perguntas que o lado dos tokamaks ainda não resolveu, como gerenciamento da temperatura das paredes e manutenção da fusão no fluxo[1]. Dito isso, meu viés fica muito mais perto do “D” em pesquisa e desenvolvimento, então acompanhar o ITER muitas vezes parece pesquisa “R” pura
[1] https://www.iter.org/of-interest/1188
Já que o assunto é fusão, alguém sabe como está o SPARC da Commonwealth Fusion Systems?
Eu tinha grandes expectativas para o sistema deles, mas dá para entender que, depois de receberem US$ 2 bilhões em investimento, tenham entrado em um ciclo profundo de desenvolvimento e construção. Por isso, no último ano, a página de notícias só teve atualizações sobre contratos comerciais e prêmios. Gostaria de ouvir como está indo a construção do reator
Basicamente, estão muito ocupados, mas acho que ainda levará pelo menos mais 3 a 5 anos
Acompanho este projeto há 10 anos e o considero bem-sucedido. Mas como projetos assim poderiam avançar mais rápido?
O Wendelstein 7-X não vai produzir eletricidade utilizável; ele foi criado como uma etapa preliminar para um reator de geração elétrica
As bobinas têm formatos muito irregulares e tolerâncias apertadas, o que as torna difíceis de fabricar; e a montagem do vaso de vácuo é difícil porque as bobinas cobrem uma área de superfície “meio toroidal” muito maior do que em um tokamak
Há muito trabalho interessante acontecendo agora na otimização de projetos de stellarators, mas provavelmente levará bastante tempo até que essa pesquisa seja implementada em um reator real
É preciso colocar mais dinheiro nessa área, mas, em algum momento, é preciso de fato construir, e isso por si só leva um tempo enorme. Regulamentação e burocracia podem melhorar, mas, no fim, não há tanto tempo que possa ser cortado com segurança
Quando houver um modelo funcional, as iterações serão muito mais rápidas, mas é como se estivéssemos batendo contra uma parede há décadas
Infelizmente, porém, uma máquina que vale a pena construir — isto é, numa escala relevante para um gerador — não é pequena. A prática ajuda
Para quem entende alemão, há uma recomendação relacionada
O podcast Alternativlos, de Felix Von Leitner e Frank Rieger, foi duas vezes a Greifswald para entrevistar pessoas ligadas ao Wendelstein. O primeiro episódio (http://alternativlos.org/36 , de 2016) se concentrou principalmente no processo de desenvolvimento e construção e na história; o segundo, deste ano, trata dos resultados e do futuro da fusão nuclear (http://alternativlos.org/51/)
Quero perguntar a quem conhece bem a área: quais startups de fusão nuclear parecem promissoras? O que acham da abordagem de confinamento inercial? E a recém-financiada Blue Laser Fusion? A veterana TAE? Commonwealth, Helion e outras?
https://www.neimagazine.com/news/newszap-energy-considers-re...
E gosto do conceito deles justamente por ser tão estranho. Na pior das hipóteses, parece que poderia funcionar como propulsor de fusão no espaço :)
Meu palpite é que, sem financiamento público, a maioria provavelmente vai quebrar. A menos que, por milagre, tenham realmente encontrado logo na primeira tentativa algum modo de operação de baixo custo excepcional que supere as soluções de geração de energia altamente otimizadas de hoje
No geral, a Tokamak Energy também parece promissora, e pretendo investir nela
Primeiro: mesmo que uma usina de fusão mais tradicional consiga produzir o plasma em um dispositivo não muito caro — o que por si só já é uma grande suposição —, o próprio mecanismo de troca de calor parece que será muito complexo e caro. E, por ser uma usina de motor térmico, também haverá limitações quanto aos locais onde pode ser instalada e à escala economicamente viável
Segundo: à medida que as emissões de CO2 diminuírem, acho que haverá mais atenção à contribuição das usinas de motor térmico para o aquecimento global. A Helion também adicionaria à Terra calor que antes não existia, mas geraria menos calor para a mesma quantidade de energia elétrica. Também não depende de despejar todo esse calor em um rio
Não sei se a Helion é viável, mas parece a única tecnologia que talvez possa ser
O custo de construir uma usina de fusão seria muito maior do que o de uma usina de fissão de capacidade semelhante, e a fissão já não é competitiva e fica mais para trás a cada dia. Precisamos pensar seriamente em usos para plasmas confinados de forma estável que não façam fusão. A vantagem é que eles não precisam ser especialmente quentes. O que temos hoje já é quente o suficiente para alguns usos plausíveis
“Novo recorde de duração de descarga do Wendelstein 7-X: foi possível manter um plasma quente por 8 minutos” é claramente um marco
Mas é preciso observar que o que está sendo testado no momento é o sistema de aquecimento. Isso não significa que tenha ocorrido uma reação de fusão nuclear real