Como a eletricidade é produzida a partir da fusão?

2 meses ago
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Quando se trata de produzir eletricidade, sabemos que os humanos usam diferentes combustíveis para sua geração. Nós queimamos combustíveis fósseis, utilizamos energia de fissão nuclear e temos fontes renováveis ​​de energia, como a energia solar. No entanto, todas essas fontes de energia têm um problema. Os combustíveis fósseis produzem subprodutos prejudiciais, o combustível nuclear produz resíduos nucleares prejudiciais e simplesmente não há baterias suficientes para se locomover para capturar toda a capacidade da energia solar. No entanto, e se tivéssemos uma maneira de aproveitar uma imensa quantidade de energia de um combustível viável com praticamente nenhum subproduto prejudicial? Bem, não precisamos procurar mais por essa resposta do que pelos céus!

Inspiração para Fusion

Dom

A inspiração para este avanço na geração de energia vem de ninguém menos que o nosso próprio sol. A partir de hoje, o Sol (ou qualquer estrela) é um dos melhores reatores de fusão que você poderia imaginar. Produz uma quantidade imensa de calor e energia há bilhões de anos (4,603 bilhões, para ser exato!) E faz isso através do eficiente processo de fusão nuclear. Então, o que exatamente é fusão?

O processo de fusão nuclear ocorre quando um único próton (que é um átomo de hidrogênio sem um elétron) se funde com outro próton para formar o hélio. Essa transformação libera uma quantidade extrema de calor e energia luminosa. Esse processo ocorre no núcleo do sol, e essa combinação constante e transformação de átomos é o que alimenta nossa estrela mais próxima e favorita. Após a combinação dos dois prótons, eles podem se romper novamente, mas às vezes, um dos prótons pode se transformar em um nêutron devido a forças nucleares fracas. O par próton-nêutron resultante é por vezes referido como deutério.

poteAgora, imagine que um terceiro próton colide com o deutério. Esta colisão resulta na formação de um núcleo de hélio-3 e um raio gama. Esses raios gama saem do núcleo do Sol e são liberados como luz do sol!

Tecnologia atual para fusão

Seria incrível se pudéssemos capturar uma estrela em nosso quintal e aproveitar sua energia, mas fazer isso é até mesmo teoricamente impossível. E se tivéssemos uma outra maneira de ver o problema? Do nosso sol, aprendemos que a fusão nuclear ocorre quando os átomos recebem energia suficiente para se mover a altas velocidades e se unirem, colidindo uns com os outros e, no processo, fornecendo muito calor e energia luminosa. Não precisamos necessariamente engarrafar uma estrela para que isso ocorra, mas os cientistas criaram dois outros métodos exclusivos:

  1. Fusão de Confinamento Inercial
  2. Fusão de Confinamento Magnético

Confusão Inercial A fusão também é popularmente conhecida como queima de fusão. Para que a queimadura de fusão ocorra, um combustível especial composto de isótopos de hidrogênio de deutério e trítio deve inflamar. O principal objetivo é conseguir a ignição por fusão, na qual a energia gerada pelo combustível é maior que o custo da radiação de raios X e a condução eletrônica, que resfriam o processo fazendo o combustível implodir dentro de si.

Este tipo de fusão foi alcançado no National Ignition Facility em Livermore, Califórnia. O NIF é o maior e mais alto laser de energia do mundo no planeta. Como mostrado acima, o NIF direciona cerca de 192 lasers para um cilindro de ouro chamado hohlraum, que tem aproximadamente o tamanho de um centavo. Uma minúscula cápsula dentro do hohlraum contém átomos de deutério (hidrogênio com um nêutron) e trítio (hidrogênio com dois nêutrons) que alimentam o processo de ignição. O design do NIF é tal que pode atingir temperaturas na ordem das dezenas de milhões de graus – exponencialmente mais quentes que a atmosfera terrestre. Essas condições replicadas pelo NIF só podem ser encontradas nos núcleos de estrelas e planetas.

Confinamento Magnético A fusão  funciona principalmente com um dispositivo de confinamento magnético. A maneira de fazer isso é usando um campo magnético poderoso para confinar o plasma quente na forma de um toro. O dispositivo tem um nome interessante – o tokamak. Houve outras tentativas de conseguir a contenção do campo magnético, mas o tokamak foi o projeto de maior sucesso até hoje. Os íons positivos e negativos se separam no plasma do tokamak quando as temperaturas se tornam extremamente altas. Para evitar que o plasma esfrie, ele deve estar contido na região central do tokamak. Se não estiver contido na região central do toro, ele se espalhará e esfriara rapidamente. O tokamak explora o fato de que partículas carregadas em um campo magnético experimentam uma força de Lorentz e seguem caminhos helicoidais ao longo da forma solenoidal. O calor produzido pelo tokamak pode ser usado para aquecer a água em vapor. Isso pode ser executado através de uma turbina para gerar eletricidade.

tokamak

(Crédito da foto: Mike Garrett / Wikimedia Commons)

Por que a fusão não está aqui já?

Agora, embora essas opções sejam viáveis ​​para a produção de eletricidade, a fusão nuclear ainda é considerada um sonho improvável. Há duas razões pelas quais essas missões maravilhosas e ideais não estão conectadas e alimentando nossas cidades já.

A primeira razão é o custo . O custo total necessário para construir esses reatores atinge a arena multibilionária. Ao contrário de seu irmão, o reator de fissão nuclear (que ainda é caro, mas nada comparado a um reator de fusão), é muito mais difícil de configurar. Não apenas o dinheiro é uma necessidade primordial nesse empreendimento, mas o sistema burocrático também atrapalha. O atual sistema burocrático é lento e draconiano, tanto que o custo para instalar essas usinas continua aumentando com o tempo.

No entanto, o principal fator que impediu o crescimento do boom de fusão (sem trocadilhos) é baseado em um parâmetro conhecido como o fator-Q . O fator Q compara a saída de energia que um reator pode fornecer à saída de energia necessária para operar o reator. Até o momento, apenas o design do tokamak promete fornecer um fator-Q maior que 1, o que o tornaria um investimento inteligente e sensato, tanto monetariamente quanto em termos de produção de energia.

Só o tempo dirá se a energia de fusão continuará sendo uma idéia promissora que nunca chegou a ver a luz do dia ou se tornar uma fonte viável de energia que muda o mundo como o conhecemos!

Referências:

  1. Educação Energética
  2. Confinamento Inercial
  3. Confinamento Magnético
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