Tungsténio para proteger reactores de fusão nuclear

Zeke Unterberg e a sua equipa do Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia (ORNL) estão actualmente a trabalhar com o principal candidato: tungsténio, que tem o ponto de fusão mais alto e a mais baixa pressão de vapor de qualquer metal na tabela periódica, bem como uma resistência à fadiga muito elevada, propriedades que o tornam bem adequado para resistir à utilização durante longos períodos de tempo.

Os investigadores concentraram-se em compreender como funcionaria o tungsténio dentro de um reactor de fusão, um mecanismo que aquece átomos de luz a temperaturas mais elevadas do que o núcleo do sol para que se fundam e libertem energia.

Criam um condensador com uma densidade de energia ultra-elevada
ENERGIAS ALTERNATIVAS
Criam um condensador com densidade de energia ultra-alta

g>Gás hidrogénio num reactor de fusão é convertido em plasma de hidrogénio – um estado da matéria constituído por gás parcialmente ionizado – que é depois confinado numa pequena região por fortes campos magnéticos ou lasers.

“Não queres colocar algo no teu reactor que dure apenas alguns dias”, disse Unterberg, um cientista de investigação sénior da Divisão de Energia de Fusão da ORNL. “Quer ter uma vida útil suficiente. Colocamos tungsténio em áreas onde prevemos que haverá bombardeamento de plasma muito elevado”

Em 2016, Unterberg e a equipa começaram a realizar experiências com o tokamak, um reactor de fusão que utiliza campos magnéticos para conter um anel de plasma, na Instalação Nacional de Fusão DIII-D, uma instalação utilizadora do Gabinete de Ciência do DOE (Departamento de Energia) em San Diego.

Os investigadores queriam saber se o tungsténio poderia ser usado para proteger a câmara de vácuo do tokamak – protegendo-o da rápida destruição causada pelos efeitos do plasma – sem contaminar seriamente o próprio plasma. Esta contaminação, se não for suficientemente gerida, poderia acabar por extinguir a reacção de fusão”

“Estávamos a tentar determinar que áreas da câmara seriam particularmente más: onde o tungsténio era mais susceptível de gerar impurezas que poderiam contaminar o plasma”, disse Unterberg.

Isótopo de tungsténio enriquecido para protecção de reactores de fusão nuclear

Para descobrir, os investigadores utilizaram um isótopo de tungsténio enriquecido, W-182, juntamente com o isótopo não modificado, para rastrear a erosão, transporte e redefinição do tungsténio a partir do interior do desviador. A observação do movimento do tungsténio no interior do desviador – uma área dentro da câmara de vácuo concebida para desviar plasma e impurezas – deu-lhes uma imagem mais clara de como ele sofre erosão das superfícies dentro do tokamak e interage com o plasma.

Secção transversal do tokamak DIII-D

Figure 1. Esta secção transversal do tokamak DIII-D mostra como os investigadores da ORNL utilizaram tungsténio natural (amarelo) e tungsténio enriquecido (laranja) para rastrear a erosão, transporte e redistribuição do tungsténio.

Isótopo de tungsténio enriquecido tem as mesmas propriedades físicas e químicas que o tungsténio normal. As experiências na instalação DIII-D utilizaram pequenos insertos metálicos revestidos com o isótopo enriquecido colocado perto, mas não na área de maior fluxo de calor, uma área no recipiente tipicamente chamada região do desviador do alvo distante.

Por outro lado, numa região do desviador com o maior fluxo, o hotspot, os investigadores utilizaram insertos com o isótopo não modificado. O resto da câmara DIII-D está protegida com grafite.

Esta configuração permitiu aos investigadores recolher amostras em sondas especiais temporariamente inseridas na câmara para medir o fluxo de impurezas para dentro e para fora da armadura do vaso, o que lhes poderia dar uma ideia mais precisa da origem do tungsténio que tinha vazado do desviador para a câmara.

“A utilização do isótopo enriquecido deu-nos uma impressão digital única”, disse Unterberg.

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