Projeto multinacional de energia de fusão marca a conclusão de seu sistema magnético mais complexo

Após duas décadas de design, produção, fabricação e montagem em três continentes, o histórico projeto multinacional de energia de fusão ITER celebra hoje a conclusão e entrega de suas enormes bobinas de campo toroidal do Japão e da Europa.

Masahito Moriyama, Ministro da Educação, Cultura, Esportes, Ciência e Tecnologia do Japão, e Gilberto Pichetto Fratin, Ministro do Meio Ambiente e Segurança Energética da Itália, participarão da cerimônia com autoridades de outros membros do ITER.

Dezenove bobinas gigantes de campo toroidal foram entregues ao sul da França. Elas serão componentes-chave no ITER, o megaprojeto experimental de fusão que usará confinamento magnético para imitar o processo que alimenta o sol e as estrelas e dá luz e calor à Terra.

A investigação sobre fusão visa desenvolver uma fonte de energia segura, abundante e ambientalmente responsável.

O ITER é uma colaboração de mais de 30 países parceiros: União Europeia, China, Índia, Japão, Coreia, Rússia e Estados Unidos. A maior parte do financiamento do ITER assume a forma de componentes contribuídos. Este acordo leva empresas como Mitsubishi Heavy Industries, ASG Superconductors, Toshiba Energy Systems, SIMIC, CNIM e muitas outras a expandirem a sua experiência nas tecnologias de ponta necessárias para a fusão.

As bobinas de campo toroidal em forma de D serão colocadas ao redor do recipiente de vácuo do ITER, uma câmara em forma de rosca chamada tokamak. Dentro do recipiente, núcleos atômicos leves serão fundidos para formar núcleos mais pesados, liberando enorme energia da reação de fusão.

O combustível para esta reação de fusão são duas formas de hidrogênio, deutério e trítio (DT). Este combustível será injetado como gás no tokamak. Ao passar uma corrente elétrica através do gás, ele se torna um plasma ionizado – o quarto estado da matéria, uma nuvem de núcleos e elétrons.

O plasma será aquecido a 150 milhões de graus, 10 vezes mais quente que o núcleo do Sol. A esta temperatura, a velocidade dos núcleos atômicos leves é alta o suficiente para que eles colidam e se fundam. Para moldar, confinar e controlar esse plasma extremamente quente, o tokamak ITER deve gerar uma gaiola magnética invisível, moldada precisamente ao formato do recipiente metálico de vácuo.

O ITER usa nióbio-estanho e nióbio-titânio como material para suas bobinas gigantes. Quando energizadas com eletricidade, as bobinas se tornam eletroímãs. Quando resfriadas com hélio líquido a -269°C (4 Kelvin), elas se tornam supercondutoras.

Para criar os campos magnéticos precisos necessários, o ITER emprega três conjuntos diferentes de ímãs. Os dezoito ímãs de campo toroidal em forma de D confinam o plasma dentro do recipiente. Os ímãs de campo poloidal, um conjunto empilhado de seis anéis que circundam o tokamak horizontalmente, controlam a posição e a forma do plasma.

No centro do tokamak, o solenóide central cilíndrico usa um pulso de energia para gerar uma corrente poderosa no plasma. A 15 milhões de amperes, a corrente de plasma do ITER será muito mais poderosa do que qualquer coisa possível em tokamaks atuais ou anteriores.

Dez bobinas foram fabricadas na Europa, sob os auspícios da Agência Doméstica Europeia do ITER, Fusion for Energy (F4E). Oito bobinas mais uma sobressalente foram fabricadas no Japão, gerenciadas pelo ITER Japão, parte dos Institutos Nacionais de Ciência e Tecnologia Quântica (QST).

Cada bobina concluída é enorme: 17 metros de altura e 9 metros de largura, pesando cerca de 360 ​​toneladas métricas.

As bobinas do campo toroidal operarão juntas, na verdade, como um único ímã: o ímã mais poderoso já feito.

Eles irão gerar uma energia magnética total de 41 gigajoules. O campo magnético do ITER será cerca de 250.000 vezes mais forte que o da Terra.

Fazendo as bobinas do campo toroidal

O processo de fabricação começou com a produção do fio nióbio-estanho. Mais de 87 mil quilômetros de fio fino foram necessários para criar 19 bobinas de campo toroidal. Esta vertente foi produzida na China, Europa, Japão, Coréia, Rússia e Estados Unidos.

Centenas de fios de nióbio-estanho foram enrolados com fios de cobre em um aglomerado semelhante a uma corda e inseridos em uma camisa de aço, com um canal central para acomodar o fluxo forçado de hélio líquido.

O resultado – um “cabo no conduíte” ou simplesmente “condutor” – forma o elemento central das bobinas. Este material condutor foi enviado ao Japão e à Europa para iniciar o processo de fabricação.

A fabricação em si foi ainda mais desafiadora. Para começar, cerca de 750 metros de condutor foram dobrados em uma trajetória de dupla espiral e tratados termicamente a 650°C. Em seguida, ele foi encaixado precisamente em uma “placa radial” em forma de D, uma estrutura de aço inoxidável com ranhuras em ambos os lados nas quais o condutor se aninha.

O condutor foi envolto e isolado com vidro e fita Kapton. As placas de cobertura foram instaladas e soldadas a laser. Isso criou uma “panqueca dupla”, um subcomponente enorme, mas delicado, feito de duas camadas de condutor. Toda a panqueca dupla foi então embrulhada novamente em fita isolante e injetada com resina para adicionar resistência estrutural, usando vácuo para remover quaisquer bolsas de ar.

Na etapa seguinte, sete panquecas duplas foram empilhadas para formar um “pacote de enrolamento”, formando o núcleo do eventual ímã. Cada panqueca dupla foi unida à seguinte para continuidade elétrica. Todo o conjunto de enrolamentos foi isolado, tratado termicamente e novamente injetado com resina.

Por fim, o pacote de enrolamento foi inserido em uma caixa de aço inoxidável maciça e adequada, pesando cerca de 200 toneladas métricas, forte o suficiente para resistir às imensas forças que serão geradas durante a operação do ITER.

Mais de 40 empresas estiveram envolvidas na criação das bobinas de campo toroidal (TF). Algumas das principais empresas europeias incluem:

• A ASG Superconductors fabricou 70 panquecas duplas TF e 10 pacotes de enrolamento.
• A CNIM fabricou placas radiais de 35 TF.
• A SIMIC fabricou 35 placas radiais TF e concluiu 10 bobinas TF,
• A Iberdrola coordenou a fabricação de pacotes de enrolamento de bobina de 10 TF.
• A Elytt Energy fabricou as ferramentas para as panquecas duplas de 70 TF.
• A BNG concluiu o teste a frio, a 80 Kelvin, de pacotes de enrolamento de 10 TF.

O Japão foi responsável pela fabricação de todas as 19 caixas de bobinas TF, em uma colaboração entre Mitsubishi Heavy Industries, Toshiba Energy Systems e Hyundai Heavy Industries. Além disso, as principais empresas envolvidas na fabricação de bobinas TF do Japão incluem:

• A Mitsubishi Electric Corporation fabricou 5 conjuntos de enrolamentos TF.
• A Arisawa Manufacturing fabricou todas as fitas isolantes.
• A Mitsubishi Heavy Industries concluiu 5 bobinas TF.
• A Toshiba Energy Systems concluiu 4 bobinas TF.

“A conclusão e entrega das 19 bobinas de campo toroidal do ITER é uma conquista monumental”, disse Pietro Barabaschi, Diretor Geral do ITER. “Parabenizamos os governos membros, as agências nacionais do ITER, as empresas envolvidas e os muitos indivíduos que dedicaram inúmeras horas a este esforço notável.”

Como funciona a fusão?

• Uma pequena quantidade de gás deutério e trítio (hidrogênio) é injetada em uma grande câmara de vácuo em formato de donut, chamada tokamak.
• O hidrogênio é aquecido até se tornar um plasma ionizado, que se parece com uma nuvem.
• Ímãs supercondutores gigantes, integrados ao tokamak, confinam e moldam o plasma ionizado, mantendo-o afastado das paredes metálicas.
• Quando o plasma de hidrogênio atinge 150 milhões de graus Celsius — dez vezes mais quente que o núcleo do Sol — ocorre a fusão.
• Na reação de fusão, uma pequena quantidade de massa é convertida em uma enorme quantidade de energia (E = mc²).
• Nêutrons de ultra-alta energia, produzidos pela fusão, escapam do campo magnético e atingem as paredes metálicas da câmara do tokamak, transmitindo sua energia às paredes na forma de calor.
• Alguns nêutrons reagem com o lítio nas paredes metálicas, criando mais combustível de trítio para a fusão.
• A água circulando nas paredes do tokamak recebe o calor e é convertida em vapor. Em um reator comercial, esse vapor acionará turbinas para produzir eletricidade.
• Centenas de tokamaks foram construídos, mas o ITER é o primeiro projetado para produzir um plasma “queimável” ou amplamente autoaquecido.

Quanta energia o Tokamak do ITER fornecerá?

A usina do ITER produzirá cerca de 500 megawatts de energia térmica. Se operado continuamente e conectado à rede elétrica, isso se traduziria em cerca de 200 megawatts de energia elétrica, o suficiente para cerca de 200 mil residências.

Uma usina de fusão comercial será projetada com uma câmara de plasma um pouco maior, para 10–15 vezes mais energia elétrica. Uma usina de fusão de 2.000 megawatts, por exemplo, forneceria eletricidade para 2 milhões de lares.

As centrais eléctricas de fusão são isentas de carbono; não libertam CO₂.