Um dia, em agosto de 2023, uma notícia estourou em todos os principais setores: o sol artificial da China "Gyre 3" alcançou pela primeira vez operação em modo de alta restrição sob uma corrente de plasma de 1 milhão de amperes, o que é um monumento importante à carreira controlável de fusão nuclear do meu país. "Gyre 3" aplica um tipo de fusão por confinamento magnético, o que significa que o combustível é primeiro aquecido para transformá-lo em forma de plasma e, em seguida, o campo magnético é usado para restringir as partículas carregadas no plasma de alto calor, fazendo com que ele se mova em espiral, aquecendo ainda mais o plasma até que ocorra uma reação de fusão nuclear.
Para ser franco, alcançar a operação no modo de alta restrição abaixo de 1 milhão de vezes A da corrente de plasma é como desenvolver um aro de ouro para Sun Wukong. Ao recitar a maldição severa, Sun Wukong pode fazer boas ações em vez de fazer coisas intencionais.
Em todo o mundo, existem muitas maneiras de conseguir o confinamento da fusão magnética. Por exemplo, a máquina magnética de anel, também conhecida como tokamak. Funciona por meio de um campo elétrico causado por um transformador que conduz uma corrente (seta vermelha grande) através de uma coluna de plasma, criando um campo magnético poloidal que dobra a corrente de plasma em um círculo (círculo vertical verde). Dobrar a coluna de plasma em um círculo evita vazamentos, e fazer isso dentro de um recipiente em forma de rosca cria um vácuo. O outro campo magnético que circunda o comprimento do círculo é chamado de campo magnético toroidal (círculo horizontal verde). Os dois campos se combinam para formar uma curva tridimensional semelhante a uma estrutura espiral (mostrada em preto) na qual o plasma está altamente confinado. Para ser franco, é como um burro puxando um moinho. O burro sempre circulará em torno da mó e então produzirá resultados através da rotação da mó.
O plasma mencionado acima refere-se ao estado do gás em temperaturas extremamente altas. Em um plasma, os elétrons são retirados dos átomos. Diz-se que os átomos que perderam elétrons orbitando o núcleo estão em estado ionizado e são chamados de íons. Portanto, o plasma é composto de íons e elétrons livres. O plasma tem condutividade quase perfeita e, sob a influência de um campo magnético, exibirá várias estruturas tridimensionais, como filamentos, cilindros e camadas duplas. Os campos magnéticos também podem ser usados para capturar, mover e acelerar vários plasmas. O mesmo se aplica a Sun Wukong. Ele foi queimado na fornalha de alquimia de Taishang Laojun com olhos penetrantes e dourados. Depois que ele saiu, ele pôde ver através do espírito de ossos brancos de relance.
De modo geral, a unidade comumente usada na fusão nuclear é o megawatt, que é MW. Por exemplo, em 1991, o Reator Conjunto Europeu de Fusão em Anel realizou fusão controlada pela primeira vez, produzindo cerca de 1,7 MW de eletricidade. Embora dure apenas 2 segundos, é uma das partes mais importantes da história da energia limpa humana. Porém, na notícia original, vemos apenas a unidade de corrente (Ampere), enquanto megawatt é o produto da corrente e da tensão. Isso significa que o que a "Corrente Giratória No. 3" implementa atualmente é principalmente um método de controle, que pode ser convertido em geração de energia após a entrada de tensão, ou seja, a ignição do reator. É por isso que é comparado ao arco dourado de Sun Wukong.
Para dar um exemplo inadequado, mesmo que uma bateria AA comum esteja conectada ao “Híbrido 3”, sua geração de energia pode chegar a 1,2MW. Uma explicação disfarçada do teor de ouro do alto confinamento de plasma de 1 milhão de amperes.
Pesquisa e desenvolvimento no caminho para a aprendizagem
Em Novembro de 2006, a China, a União Europeia e outras sete partes assinaram um acordo para lançar o Programa Internacional de Reactores Experimentais de Fusão Termonuclear. Este plano é promovido pelo ITER (Reator Termonuclear Experimental Internacional), integrando as principais conquistas científicas e tecnológicas da fusão nuclear por confinamento magnético controlado no mundo atual e resolvendo um grande número de problemas técnicos. Em 2007, a França iniciou a construção de um tokamak de 500 MW.
Na máquina, o plasma será aquecido a 150 milhões de graus Celsius, 10 vezes mais quente que o núcleo do Sol, para realizar reações de fusão nuclear. Em contraste, a temperatura dos ímãs supercondutores da máquina está abaixo de 269 graus Celsius negativos. Este tokamak requer um total de cerca de 10 milhões de peças, que são trazidas de todo o mundo para o canteiro de obras do ITER. Qual é o conceito de 150 milhões de graus Celsius? De acordo com a interpretação das gerações posteriores de "Journey to the West", o Samadhi True Fire de Red Boy tem apenas quatro ou cinco mil graus Celsius. A temperatura do reator é equivalente a 300.000 Red Boy amarrados.
De acordo com o último relatório do ITER, a máquina está 50% montada e passará pela primeira fase de operação em dezembro de 2025. Assim que esta máquina funcionar perfeitamente, todos os combustíveis fósseis do mundo serão substituídos por energia limpa.
Mas assim como o descrito em “Journey to the West”, Sun Wukong tem vastos poderes sobrenaturais e poder mágico ilimitado. Também é um sonho tolo tentar amarrá-lo apenas com um pequeno aro de ouro. Tomando como exemplo a ignição mais básica, se a temperatura do reator não puder ser aquecida a mais de 100 milhões de graus Celsius, o reator não reagirá. Atualmente, o principal método de aquecimento é o aquecimento ôhmico, que utiliza descarga de alta frequência para ionizar o hidrogênio neutro e formar um plasma frio que é aquecido pela corrente de um grande campo magnético poloidal gerado ao longo da bobina toroidal. Embora tenha sido mencionado acima que o plasma tem condutividade quase perfeita, ele também possui uma certa resistência e ainda será gerado calor quando a corrente passar por ele. No entanto, a resistividade do plasma cai drasticamente à medida que a temperatura do elétron aumenta, o que faz com que a densidade de potência do aquecimento ôhmico também caia drasticamente, o que limita o uso do aquecimento ôhmico.
Outro método é o método de aquecimento por injeção de feixe de partículas neutras de alta energia, que é um método de aquecimento usado principalmente em tokamak. O feixe de partículas neutras usado para aquecimento de plasma é geralmente um feixe de átomos de néon neutro de alta energia. As partículas neutras de alta energia não são afetadas pelo campo magnético no dispositivo de fusão e podem ser injetadas diretamente na área central do plasma. Uma vez que os átomos neutros entram no plasma, eles são imediatamente ionizados em íons através da troca de carga e do processo de colisão. Esses íons de alta energia são capturados pelo campo magnético e depois passam pela colisão de Coulomb com o plasma original. A energia é dada ao plasma para atingir o objetivo de aquecimento.
No entanto, a eficiência do feixe de íons de alta energia na fonte de íons para capturar elétrons e transformá-los em feixes de partículas neutras na câmara de gás neutralizado diminui drasticamente à medida que a energia das partículas aumenta. Se um feixe de íons negativos for extraído da fonte de íons, a eficiência de conversão de íons negativos em partículas neutras não diminui significativamente à medida que a energia aumenta. Isso ocorre porque é muito mais fácil separar o excesso de elétrons dos íons negativos, portanto, é necessária uma fonte de íons negativos de alta potência.
Além disso, uma limitação importante na eficiência de aquecimento do feixe neutro é a presença de impurezas de carbono e oxigênio devido à absorção de gás pela parede da serpentina. A concentração de carbono e oxigênio pode chegar a 1%. A troca de carga entre o feixe neutro e essas impurezas produz íons de carbono e íons de oxigênio altamente excitados, que perdem energia devido à sua radiação linear, resultando em uma diminuição repentina na eficiência de aquecimento.
Tal como é preciso passar por oitenta e uma dificuldades para aprender com a experiência, apesar das dificuldades no caminho para a fusão controlável, a indústria nuclear do meu país já alcançou importantes resultados de investigação em muitos campos desde 1980. Devido às vantagens do tokamak acima mencionadas, a comunidade chinesa de investigação em fusão tem prestado atenção ao plasma tokamak há décadas. De 1980 a meados da década de 1990, foram desenvolvidos dispositivos tokamak de pequeno e médio porte, como HT-6B, HT-6M, HL- e HL-1M.
Em 1994 e 2002, com base em equipamentos fornecidos pela Rússia (T-7 Tokamak) e pela Alemanha (ASDEX Tokamak), o meu país construiu o HT-7 e o HL-2A no Instituto Asiático de Física Científica e SWIP respectivamente, tornando a China o quarto país capaz de desenvolver tokamak supercondutor. É precisamente por isso que a China construiu o primeiro Tokamak-EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak, abreviadamente EAST) do mundo. EAST é o primeiro tokamak totalmente supercondutor do mundo com desviadores superiores e inferiores. Ele foi projetado para operar em pulso longo, estado estacionário e modo de alta restrição, e atingiu 101 segundos de descarga no modo de alta restrição. O EAST está se tornando um dos principais dispositivos tokamak do mundo e pode fornecer cenários de operação de pulso longo e de alto desempenho para equipamentos futuros (incluindo ITER e CFETR).
No que diz respeito ao empreendimento de fusão por confinamento magnético da China, o EAST é apenas o primeiro passo. Em seguida, nosso país realizará o modo de alta restrição de pulso longo e a operação em estado estacionário de aquecimento moderno e acionamento e diagnóstico de corrente; através do HL-2M, estudaremos a física do plasma de alto desempenho sob alta potência de aquecimento auxiliar. O próximo passo é desenvolver tecnologias-chave relacionadas ao ITER e ao CFETR (China Fusion Engineering Test Reactor). "Nem todos os andarilhos se perderam." Os quatro mestres e discípulos de Tang Monk tinham orientações claras e finalmente chegaram ao Templo Leiyin para obter as verdadeiras escrituras.
A construção do CFETR deverá ser concluída na década de 2030. O plano de operação do CFETR está dividido em duas fases. O objetivo da primeira fase é atingir uma potência de fusão de 100-200 MW. Esta fase irá explorar operações em estado estacionário e auto-suficiência em trítio como complemento às operações ITERQ=10. Q=10 é um dos objetivos do ITER, o que significa produzir dez vezes o retorno de energia no plasma.
A segunda fase está prevista para ser concluída na década de 2040. O Tokamak CFETR com potência de fusão de 1 GW também será demonstrado nessa ocasião. O protótipo da usina de fusão (PFPP) está planejado para ser construído por volta de 2060, que é a etapa final no roteiro de fusão por confinamento magnético da China para estabelecer uma usina de fusão comercial. Da perspectiva de hoje, faltam menos de 40 anos para 2060 e ainda há uma longa espera. Mas no campo da fusão controlável, a indústria chinesa de fusão por confinamento magnético está se desenvolvendo rapidamente.
Sede de Desenvolvimento de Energia Nuclear na Ásia
Do ponto de vista da geração de energia de fissão nuclear, existem atualmente 9.242 grandes empresas na indústria de energia nuclear da China. O número de empresas registadas em 2021 é de 2.327, e 1.675 empresas de energia nuclear foram registadas em 2022. Isto também prova que a indústria de energia nuclear do meu país se desenvolveu muito rapidamente nos últimos dois anos. Deve-se notar que a produção de energia nuclear do meu país representa apenas 5% da produção total de energia, enquanto noutros países desenvolvidos, como a Rússia e o Reino Unido, a sua produção de energia nuclear representa 19,6% e 14,2% da produção total de energia, respectivamente. É verdade que o nosso país fez, de facto, muitos avanços importantes no domínio da fusão controlável, mas se quisermos alcançar uma sociedade de energia limpa verdadeiramente hipocarbónica e de baixas emissões, a comercialização da ligação à rede de energia nuclear é também uma ligação que não pode ser ignorada.
A utilização de centrais eléctricas de fusão poderia reduzir significativamente o impacto ambiental do aumento da procura mundial de electricidade porque, tal como a produção de energia por fissão nuclear, não provocam chuva ácida nem efeito de estufa. Dada a disponibilidade imediata do combustível, a energia de fusão pode facilmente satisfazer as necessidades energéticas associadas ao crescimento económico contínuo. Não há perigo de a reação de fusão ficar fora de controle. Afinal, uma vez que a reação saia do controle, nada acontecerá. Embora a fusão não produza produtos radioactivos de longa duração e os gases não queimados possam ser eliminados no local, continuarão a existir problemas de resíduos radioactivos a curto e médio prazo devido à activação de materiais estruturais. Devido ao bombardeio por nêutrons de alta energia, alguns materiais constituintes tornam-se radioativos durante a vida útil do reator e eventualmente tornam-se resíduos radioativos. Obviamente, este é também um aspecto importante que precisa ser considerado na comercialização da geração de energia por fusão nuclear.
O PFPP será o primeiro passo na comercialização da fusão nuclear na China. Depois de "Gyres-3" virão "Gyres-4" e "Gyres-5". Cada equipamento trará alguns avanços e, em última análise, concretizará a situação em que a energia limpa de fusão nuclear do meu país pode substituir a tradicional energia de carbono não renovável.