Fator de ganho de energia de fusão - Fusion energy gain factor

A explosão da bomba de hidrogênio Ivy Mike . A bomba de hidrogênio é o único dispositivo capaz de atingir um fator de ganho de energia de fusão significativamente maior que 1.

Um fator de ganho de energia de fusão , geralmente expresso com o símbolo Q , é a razão entre a energia de fusão produzida em um reator de fusão nuclear e a energia necessária para manter o plasma em estado estacionário . A condição de Q = 1, quando a potência liberada pelas reações de fusão é igual à potência de aquecimento necessária, é denominada ponto de equilíbrio ou, em algumas fontes, ponto de equilíbrio científico .

A energia emitida pelas reações de fusão pode ser capturada dentro do combustível, levando ao autoaquecimento . A maioria das reações de fusão libera pelo menos parte de sua energia de uma forma que não pode ser capturada dentro do plasma, de modo que um sistema em Q = 1 resfriará sem aquecimento externo. Com combustíveis típicos, não se espera que o autoaquecimento em reatores de fusão corresponda às fontes externas até pelo menos Q = 5. Se Q aumenta além deste ponto, o aumento do autoaquecimento eventualmente remove a necessidade de aquecimento externo. Nesse ponto, a reação se torna autossustentável, uma condição chamada ignição . A ignição corresponde a Q infinito e é geralmente considerada altamente desejável para projetos de reatores práticos.

Com o tempo, vários termos relacionados entraram no léxico da fusão. A energia que não é capturada no combustível pode ser capturada externamente para produzir eletricidade. Essa eletricidade pode ser usada para aquecer o plasma até as temperaturas operacionais. Um sistema que é autoalimentado dessa forma é conhecido como operando no ponto de equilíbrio de engenharia . Operando acima do ponto de equilíbrio de engenharia, uma máquina produziria mais eletricidade do que usa e poderia vender esse excesso. Aquele que vende eletricidade suficiente para cobrir seus custos operacionais é às vezes conhecido como ponto de equilíbrio econômico . Além disso, os combustíveis de fusão, especialmente o trítio , são muito caros, por isso muitos experimentos são executados em vários gases de teste, como hidrogênio ou deutério . Um reator movido a esses combustíveis que atinge as condições de equilíbrio se o trítio foi introduzido está operando no ponto de equilíbrio extrapolado .

Em 2021, o recorde de Q é mantido pelo tokamak JET no Reino Unido, em Q = (16 MW) / (24 MW) ≈ 0,67, atingido pela primeira vez em 1997. O maior recorde de ponto de equilíbrio extrapolado foi postado pelo JT- Dispositivo 60 , com Q ext = 1.25, superando ligeiramente o JET anterior 1.14. O ITER foi originalmente projetado para atingir a ignição, mas atualmente é projetado para atingir Q = 10, produzindo 500 MW de energia de fusão a partir de 50 MW de energia térmica injetada.

Conceito

Q é simplesmente a comparação da energia liberada pelas reações de fusão em um reator, P fus , com a energia de aquecimento constante fornecida, P calor , em condições normais de operação. Para aqueles projetos que não funcionam no estado estacionário, mas em vez disso são pulsados, o mesmo cálculo pode ser feito somando toda a energia de fusão produzida em P fus e toda a energia gasta produzindo o pulso em P calor . No entanto, existem várias definições de ponto de equilíbrio que consideram as perdas adicionais de energia.

Empatar

Em 1955, John Lawson foi o primeiro a explorar os mecanismos de balanço de energia em detalhes, inicialmente em trabalhos classificados, mas publicados abertamente em um artigo de 1957 agora famoso. Neste artigo, ele considerou e refinou o trabalho de pesquisadores anteriores, notavelmente Hans Thirring , Peter Thonemann e um artigo de revisão de Richard Post . Expandindo tudo isso, o artigo de Lawson fez previsões detalhadas para a quantidade de energia que seria perdida por meio de vários mecanismos, e comparou-a com a energia necessária para sustentar a reação. Esse equilíbrio é hoje conhecido como critério de Lawson .

Em um projeto de reator de fusão bem-sucedido, as reações de fusão geram uma quantidade de energia designada P fus . Alguma quantidade dessa energia, a perda de P , é perdida por meio de uma variedade de mecanismos, principalmente a convecção do combustível para as paredes da câmara do reator e várias formas de radiação que não podem ser capturadas para gerar energia. Para manter a reação em andamento, o sistema deve fornecer aquecimento para compensar essas perdas, onde P perda = P calor para manter o equilíbrio térmico.

A definição mais básica de ponto de equilíbrio é quando Q = 1, ou seja, P fus = P calor .

Alguns trabalhos referem-se a essa definição como ponto de equilíbrio científico , para contrastá-la com termos semelhantes. No entanto, esse uso é raro fora de certas áreas, especificamente no campo de fusão por confinamento inercial , onde o termo é muito mais usado. Dispositivos inerciais e muitos conceitos semelhantes não tentam manter o equilíbrio, mas simplesmente capturam a energia produzida. Nesse caso, o calor P considera toda a energia necessária para produzir a reação, seja aquecimento direto ou outros sistemas como laser ou compressão magnética.

Ponto de equilíbrio extrapolado

Desde a década de 1950, a maioria dos projetos de reatores de fusão comerciais foram baseados em uma mistura de deutério e trítio como seu combustível primário; outros combustíveis têm características atraentes, mas são muito mais difíceis de acender. Como o trítio é radioativo, altamente bioativo e altamente móvel, ele representa uma preocupação significativa de segurança e aumenta o custo de projetar e operar tal reator.

Para reduzir custos, muitas máquinas experimentais são projetadas para funcionar com combustíveis de teste de hidrogênio ou deutério apenas, deixando de fora o trítio. Nesse caso, o termo ponto de equilíbrio extrapolado é usado para definir o desempenho esperado da máquina operando com combustível DT com base no desempenho ao funcionar apenas com hidrogênio ou deutério.

Os recordes de breakeven extrapolado são ligeiramente mais altos do que os recordes de breakeven científico. Tanto o JET quanto o JT-60 atingiram valores em torno de 1,25 (veja detalhes abaixo) enquanto operam com combustível DD. Quando executado em DT, apenas possível em JET, o desempenho máximo é cerca de metade do valor extrapolado.

Ponto de equilíbrio de engenharia

Outro termo relacionado, ponto de equilíbrio de engenharia , considera a necessidade de extrair a energia do reator, transformá-la em energia elétrica e alimentar parte dela de volta ao sistema de aquecimento. Este circuito fechado que envia eletricidade da fusão de volta ao sistema de aquecimento é conhecido como recirculação . Nesse caso, a definição básica muda ao adicionar termos adicionais ao lado P fus para considerar as eficiências desses processos.

As reações DT liberam a maior parte de sua energia como nêutrons e uma quantidade menor como partículas carregadas como partículas alfa . Os nêutrons são eletricamente neutros e viajarão para fora de qualquer projeto de fusão de confinamento magnético (MFE) e, apesar das densidades muito altas encontradas em projetos de fusão por confinamento inercial (ICF), eles tendem a escapar facilmente da massa de combustível nesses projetos também. Isso significa que apenas as partículas carregadas das reações podem ser capturadas dentro da massa de combustível e dar origem ao autoaquecimento. Se a fração da energia sendo liberada nas partículas carregadas é f ch , então a potência nessas partículas é P ch = f ch P fus . Se esse processo de autoaquecimento for perfeito, ou seja, todo P ch é captado no combustível, isso significa que a potência disponível para gerar eletricidade é a potência que não é liberada dessa forma, ou (1 -  f ch ) P fus .

No caso dos nêutrons que carregam a maior parte da energia prática, como é o caso do combustível DT, essa energia nêutron é normalmente capturada em uma " manta " de lítio que produz mais trítio que é usado para abastecer o reator. Devido a várias exotérmicas e endotérmicas reacções, a manta pode ter um factor de ganho de potência M R . M R é normalmente da ordem de 1,1 a 1,3, o que significa que também produz uma pequena quantidade de energia. O resultado líquido, a quantidade total de energia liberada para o meio ambiente e, portanto, disponível para a produção de energia, é referido como P R , a potência líquida de saída do reator.

A manta é então resfriada e o fluido de resfriamento usado em um trocador de calor acionando geradores e turbinas a vapor convencionais . Essa eletricidade é então realimentada no sistema de aquecimento. Cada uma dessas etapas da cadeia de geração tem uma eficiência a ser considerada. No caso dos sistemas de aquecimento a plasma, é da ordem de 60 a 70%, enquanto os modernos sistemas geradores baseados no ciclo de Rankine têm cerca de 35 a 40%. Combinando isso, obtemos uma eficiência líquida do loop de conversão de energia como um todo , de cerca de 0,20 a 0,25. Ou seja, cerca de 20 a 25% do pode ser recirculado.

Assim, o fator de ganho de energia de fusão necessário para atingir o ponto de equilíbrio de engenharia é definido como:

Para entender como é usado, considere um reator operando a 20 MW e Q = 2. Q = 2 a 20 MW implica que o calor P é 10 MW. Desses 20 MW originais, cerca de 20% são alfas, então assumindo a captura completa, 4 MW de calor P é auto-alimentado. Precisamos de um total de 10 MW de aquecimento e obter 4 disso por meio de alfas, então precisamos de outros 6 MW de potência. Dos 20 MW originais de produção, 4 MW são deixados no combustível, então temos 16 MW de produção líquida. Usando M R de 1,15 para o cobertor, obtemos P R de cerca de 18,4 MW. Supondo um bom de 0,25, isso requer 24 MW P R , então um reator em Q = 2 não pode atingir o ponto de equilíbrio de engenharia. Em Q = 4, são necessários 5 MW de aquecimento, 4 dos quais vêm da fusão, deixando 1 MW de energia externa necessária, que pode ser facilmente gerada pela saída líquida de 18,4 MW. Assim, para este projeto teórico, o Q E está entre 2 e 4.

Considerando as perdas e eficiências do mundo real, os valores Q entre 5 e 8 são normalmente listados para dispositivos de confinamento magnético, enquanto os dispositivos inerciais têm valores dramaticamente mais baixos e, portanto, requerem valores Q E muito mais altos, da ordem de 50 a 100.

Ignição

À medida que a temperatura do plasma aumenta, a taxa das reações de fusão aumenta rapidamente e, com isso, a taxa de autoaquecimento. Em contraste, as perdas de energia não capturáveis, como os raios X, não crescem na mesma taxa. Assim, em termos gerais, o processo de autoaquecimento se torna mais eficiente à medida que a temperatura aumenta e menos energia é necessária de fontes externas para mantê-lo quente.

Eventualmente, o calor P chega a zero, ou seja, toda a energia necessária para manter o plasma na temperatura operacional está sendo fornecida por autoaquecimento, e a quantidade de energia externa que precisa ser adicionada cai para zero. Este ponto é conhecido como ignição . No caso do combustível DT, onde apenas 20% da energia é liberada como alfas que dão origem ao autoaquecimento, isso não pode ocorrer até que o plasma esteja liberando pelo menos cinco vezes a potência necessária para mantê-lo em sua temperatura de trabalho.

A ignição, por definição, corresponde a um Q infinito , mas não significa que f recircule para zero, pois os outros dissipadores de energia no sistema, como os ímãs e os sistemas de resfriamento, ainda precisam ser alimentados. Geralmente, no entanto, eles são muito menores do que a energia nos aquecedores e exigem uma recirculação de f muito menor . Mais importante, é mais provável que esse número seja quase constante, o que significa que melhorias adicionais no desempenho do plasma resultarão em mais energia que pode ser usada diretamente para geração comercial, em oposição à recirculação.

Ponto de equilíbrio comercial

A definição final de ponto de equilíbrio é ponto de equilíbrio comercial , que ocorre quando o valor econômico de qualquer eletricidade líquida restante após a recirculação é suficiente para pagar pelo reator. Esse valor depende do custo de capital do reator e de quaisquer custos de financiamento relacionados a ele, seus custos operacionais, incluindo combustível e manutenção, e o preço à vista da energia elétrica.

O ponto de equilíbrio comercial depende de fatores externos à tecnologia do próprio reator, e é possível que mesmo um reator com plasma totalmente inflamado operando muito além do ponto de equilíbrio de engenharia não gere eletricidade suficiente com rapidez suficiente para se pagar. Se algum dos conceitos principais, como o ITER, pode atingir esse objetivo, está sendo debatido no campo.

Exemplo prático

A maioria dos projetos de reatores de fusão estudados em 2017 são baseados na reação DT, já que este é de longe o mais fácil de acender e tem alta densidade energética. No entanto, essa reação também libera a maior parte de sua energia na forma de um único nêutron altamente energético e apenas 20% da energia na forma de um alfa. Assim, para a reação DT, f ch = 0,2. Isso significa que o autoaquecimento não se torna igual ao aquecimento externo até pelo menos Q = 5.

Os valores de eficiência dependem dos detalhes do projeto, mas podem estar na faixa de η calor = 0,7 (70%) e η elec = 0,4 (40%). O propósito de um reator de fusão é produzir energia, não recirculá-la, então um reator prático deve ter f recirc = 0,2 aproximadamente. Mais baixo seria melhor, mas será difícil de conseguir. Usando esses valores, encontramos para um reator prático Q = 22.

Considerando o ITER, temos um projeto que produz 500 MW de energia para 50 MW de abastecimento. Se 20% da saída for autoaquecido, isso significa uma fuga de 400 MW. Assumindo o mesmo η calor = 0,7 e η elec = 0,4, o ITER (em teoria) poderia produzir até 112 MW de aquecimento. Isso significa que o ITER operaria no ponto de equilíbrio da engenharia. No entanto, o ITER não está equipado com sistemas de extração de energia, então isso permanece teórico até as máquinas subsequentes como DEMO .

Transiente vs. contínuo

Muitos dos primeiros dispositivos de fusão operavam por microssegundos, usando algum tipo de fonte de energia pulsada para alimentar seu sistema de confinamento magnético , enquanto usavam a compressão do confinamento como fonte de aquecimento. Lawson definiu o ponto de equilíbrio neste contexto como a energia total liberada por todo o ciclo de reação em comparação com a energia total fornecida à máquina durante o mesmo ciclo.

Com o tempo, à medida que o desempenho aumentava em ordens de magnitude, os tempos de reação se estendiam de microssegundos para segundos e, no ITER , da ordem de minutos. Neste caso, a definição de "todo o ciclo de reação" torna-se indistinta. No caso de um plasma inflamado, por exemplo, o calor de P pode ser bastante alto enquanto o sistema está sendo configurado e, em seguida, cair para zero quando estiver totalmente desenvolvido, então pode-se ficar tentado a escolher um instante no tempo em que é operando da melhor maneira possível para determinar um Q alto ou infinito . Uma solução melhor nesses casos é usar a definição original de Lawson calculada sobre a reação para produzir um valor semelhante à definição original.

Existe uma complicação adicional. Durante a fase de aquecimento, quando o sistema está sendo colocado em condições operacionais, parte da energia liberada pelas reações de fusão será usada para aquecer o combustível circundante e, portanto, não será liberada para o meio ambiente. Isso não é mais verdade quando o plasma atinge sua temperatura operacional e entra em equilíbrio térmico. Assim, se for feita a média ao longo de todo o ciclo, essa energia será incluída como parte do termo de aquecimento, ou seja, parte da energia que foi capturada para aquecimento teria sido liberada em P fus e, portanto, não é indicativo de uma operação Q .

Operadores do reator JET argumentaram que esta entrada deveria ser removida do total:

Onde:

Ou seja, P temp é a potência aplicada para elevar a energia interna do plasma. É esta definição que foi usada ao relatar o valor do registro de 0,67 do JET.

Algum debate sobre esta definição continua. Em 1998, os operadores do JT-60 afirmaram ter alcançado Q = 1,25 operando com combustível DD, atingindo assim o ponto de equilíbrio extrapolado. Esta medição foi baseada na definição JET de Q *. Usando essa definição, o JET também havia atingido o ponto de equilíbrio extrapolado algum tempo antes. Se considerarmos o balanço de energia nessas condições, e a análise das máquinas anteriores, argumenta-se que a definição original deve ser usada e, portanto, ambas as máquinas permanecem bem abaixo do ponto de equilíbrio de qualquer tipo.

Ponto de equilíbrio científico no NIF

Embora a maioria dos experimentos de fusão use alguma forma de confinamento magnético, outro ramo importante é a fusão por confinamento inercial (ICF), que pressiona mecanicamente a massa de combustível (o "alvo") para aumentar sua densidade. Isso aumenta muito a taxa de eventos de fusão e diminui a necessidade de confinar o combustível por longos períodos. Esta compressão é realizada aquecendo uma cápsula leve contendo o combustível usando alguma forma de "driver". Há uma variedade de drivers propostos, mas até agora, a maioria dos experimentos usou lasers .

Usando a definição tradicional de Q , P fus / P heat , os dispositivos ICF têm Q extremamente baixo . Isso ocorre porque o laser é extremamente ineficiente; enquanto para os aquecedores usados ​​em sistemas magnéticos podem ser da ordem de 70%, os lasers são da ordem de 1%.

Por esta razão, o Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL), líder na pesquisa da ICF, propôs outra modificação de Q que define o calor P como a energia fornecida pelo driver à cápsula, em oposição à energia colocada no driver por um fonte de alimentação externa. Ou seja, eles propõem remover a ineficiência do laser da consideração do ganho. Essa definição produz valores de Q muito mais altos e altera a definição de ponto de equilíbrio para ser P fus / laser P = 1. Na ocasião, eles se referiram a essa definição como "ponto de equilíbrio científico". Este termo não foi usado universalmente; outros grupos adotaram a redefinição de Q, mas continuaram a se referir ao laser P fus = P simplesmente como ponto de equilíbrio.

Em 7 de outubro de 2013, o LLNL anunciou que havia alcançado um ponto de equilíbrio científico no National Ignition Facility (NIF) em 29 de setembro. Neste experimento, P fus foi de aproximadamente 14 kJ, enquanto a saída do laser foi de 1,8 MJ. Pela definição anterior, seria um Q de 0,0077. Para este comunicado de imprensa, eles redefiniram Q mais uma vez, desta vez igualando P calor a ser apenas a quantidade de energia entregue à "porção mais quente do combustível", calculando que apenas 10 kJ da energia do laser original atingiu a parte do combustível que estava passando por reações de fusão. Este lançamento foi fortemente criticado no campo.

Em 17 de agosto de 2021, o NIF anunciou que, no início de agosto de 2021, um experimento havia alcançado um valor Q de 0,7, produzindo 1,35 MJ de energia de uma cápsula de combustível, concentrando 1,9 MJ de energia do laser na cápsula. O resultado foi um aumento de oito vezes em relação a qualquer produção de energia anterior.

Notas

Referências

Citações

Bibliografia