O surgimento de um reator termonuclear é esperado há mais de meio século. As expectativas são tão superaquecidas que surgiu uma teoria da conspiração muito popular, como se de fato tivesse sido inventada há muito tempo, mas os magnatas do petróleo escondem a invenção das massas para não perder superlucros. Como qualquer teoria da conspiração, tal teoria não resiste a críticas e continua sendo um tópico para prosa de detetive. No entanto, entender isso não nega a questão principal: quando dominaremos a energia termonuclear?
SUNNY BOSTER
Uma reação termonuclear (ou reação de fusão nuclear), na qual núcleos mais leves se fundem em outros mais pesados, foi descrita por físicos na década de 1910. E pela primeira vez foi observado pelo cientista inglês Ernst Rutherford. Em 1919, ele empurrou o hélio com nitrogênio em alta velocidade para produzir hidrogênio e oxigênio pesado. Cinco anos depois, Rutherford completou com sucesso a síntese de trítio de hidrogênio superpesado a partir de núcleos de hidrogênio pesado de deutério. Na mesma época, o astrofísico Arthur Eddington apresentou uma hipótese ousada de que as estrelas queimam devido ao curso de reações termonucleares em seus intestinos. Em 1937, o cientista americano Hans Bethe conseguiu provar a ocorrência de reações termonucleares no Sol - portanto, Eddington estava certo.
A ideia de reproduzir um "fogo solar" na Terra pertenceu ao físico japonês Tokutaro Hagiwara, que em 1941 sugeriu a possibilidade de iniciar uma reação termonuclear entre núcleos de hidrogênio por meio de uma reação em cadeia explosiva de fissão de urânio - ou seja, uma explosão atômica deve criar condições (ultra-alta temperatura e pressão) para iniciar a fusão termonuclear. Um pouco mais tarde, Enrico Fermi, que participou da criação da bomba atômica americana, teve a mesma ideia. Em 1946, sob a liderança de Edward Teller, um projeto de pesquisa sobre o uso da energia termonuclear foi lançado no Laboratório de Los Alamos.
O primeiro dispositivo termonuclear foi detonado pelos militares dos Estados Unidos em 1 de novembro de 1952, no Atol de Enewetok, no Oceano Pacífico. Conduzimos um experimento semelhante em 1953. Assim, a humanidade vem usando a fusão termonuclear há mais de sessenta anos, mas apenas para fins destrutivos. Por que você não pode usá-lo de forma mais racional?
MESTRES DE PLASMA
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Do ponto de vista energético, a temperatura ótima do plasma para uma reação termonuclear é de 100 milhões de graus. Isso é várias vezes mais alto do que a temperatura no interior do Sol. Como ser?
Os físicos propuseram manter o plasma dentro de uma "armadilha magnética". No início da década de 1950, Andrei Sakharov e Igor Tamm calcularam a configuração de campos magnéticos capazes de comprimir o plasma em um filamento fino e evitar que caísse nas paredes da câmara. Foi com base no esquema que eles propuseram que diversos tokamaks foram criados.
Acredita-se que o termo "TOKAMAK" se originou como uma abreviatura para a frase "CÂMERA TOroid com bobinas magnéticas". O principal elemento de design são as bobinas que criam um poderoso campo magnético. A câmara de trabalho do tokamak é preenchida com gás. Como resultado da quebra sob a ação do campo de vórtice, ocorre uma maior ionização do gás na câmara, razão pela qual ele se transforma em plasma. É formado um filamento de plasma que se move ao longo da câmara toroidal e é aquecido por uma corrente elétrica longitudinal. Os campos magnéticos mantêm o cordão em equilíbrio e dão-lhe uma forma que o impede de tocar nas paredes e queimá-las.
Até o momento, a temperatura do plasma em tokamaks atingiu 520 milhões de graus. No entanto, o aquecimento é o início da jornada. Um tokamak não é uma usina de energia - pelo contrário, ele consome energia sem dar nada em troca. Uma usina termonuclear deve ser construída em princípios diferentes.
Em primeiro lugar, os físicos decidiram sobre o combustível. Quase ideal para um reator de potência é uma reação baseada na fusão de núcleos de isótopos de hidrogênio - deutério e trítio (D + T), como resultado da qual um núcleo de hélio-4 e um nêutron são formados. A água comum servirá como fonte de deutério e o trítio será obtido a partir do lítio irradiado com nêutrons.
Em seguida, o plasma deve ser aquecido a 100 milhões de graus e fortemente comprimido, mantendo-se neste estado por muito tempo. Do ponto de vista do projeto de engenharia, essa é uma tarefa incrivelmente complexa e cara. Foram a complexidade e o alto custo que travaram por muito tempo o desenvolvimento dessa direção de energia. A empresa não estava pronta para financiar um projeto tão grande até que houvesse confiança em seu sucesso.
A ESTRADA PARA O FUTURO
A União Soviética, onde tokamaks únicos foram construídos, deixou de existir, mas a ideia de dominar a energia termonuclear não morreu, e os países líderes perceberam que o problema só poderia ser resolvido juntos.
E agora o primeiro reator termonuclear experimental para engenharia de energia está sendo construído hoje na vila de Cadarache, no sudeste da França, perto da cidade de Aix-en-Provence. Rússia, EUA, União Européia, Japão, China, Coréia do Sul, Índia e Cazaquistão participam da implementação desse grande projeto.
A rigor, a unidade a ser construída em Cadarache ainda não poderá operar como uma usina termonuclear, mas pode aproximar seu tempo. Não é por acaso que se chama ITER - esta abreviatura significa International Thermonuclear Experimental Reactor, mas também tem um significado simbólico: em latim iter é uma estrada, um caminho. Assim, o reator Cadarash deve abrir caminho para a energia termonuclear do futuro, que garantirá a sobrevivência da humanidade após o esgotamento dos combustíveis fósseis.
O ITER será estruturado da seguinte forma. Em sua parte central, há uma câmara toroidal com um volume de cerca de 2.000 m3, preenchida com plasma de trítio-deutério aquecido a temperaturas acima de 100 milhões de graus. Os nêutrons gerados durante a reação de fusão deixam a "garrafa magnética" e através da "primeira parede" entram no espaço livre da manta com cerca de um metro de espessura. Dentro da manta, nêutrons colidem com átomos de lítio, resultando em uma reação com a formação de trítio, que será produzido não apenas pelo ITER, mas também por outros reatores, caso sejam construídos. Nesse caso, a “primeira parede” é aquecida por nêutrons até 400 ºC. O calor liberado, como nas estações convencionais, é levado pelo circuito de resfriamento primário com um refrigerante (contendo, por exemplo, água ou hélio) e transferido para o circuito secundário, onde o vapor de água é produzido,indo para turbinas que geram eletricidade.
A instalação do ITER é realmente uma megamáquina. Seu peso é de 19.000 toneladas, o raio interno da câmara toroidal é de 2 metros, o externo é de mais de 6 metros. A construção já está em pleno andamento, mas ninguém sabe ao certo quando será recebida a primeira saída de energia positiva na instalação. No entanto, o ITER pretende produzir 200.000 kWh, o que equivale à energia contida em 70 toneladas de carvão. A quantidade necessária de lítio está contida em uma minibateria para um computador, e a quantidade de deutério está contida em 45 litros de água. E será uma energia absolutamente limpa.
Nesse caso, o deutério deveria ser suficiente para milhões de anos, e as reservas de lítio facilmente extraídas são suficientes para suprir a necessidade por centenas de anos. Mesmo que as reservas de lítio nas rochas acabem, os físicos serão capazes de extraí-lo da água do mar.
O ITER certamente será construído. E, claro, fico feliz que nosso país participe desse projeto de futuro. Somente os especialistas russos têm muitos anos de experiência na criação de grandes ímãs supercondutores, sem os quais é impossível manter o plasma no filamento: graças aos tokamaks!
Anton Pervushin
