Combustível quântico aumenta eficiência da fusão nuclear

Redação do Site Inovação Tecnológica - 27/11/2024

Ilustração de átomos alinhados por spin durante o processo de fusão nuclear.
[Imagem: Kyle Palmer/PPPL]

Fusão multicombustível

Uma mistura diferente de combustíveis e um ajuste para que esses combustíveis apresentem propriedades otimizadas permite superar algumas das principais barreiras para tornar a fusão nuclear uma fonte de energia prática.

A nova abordagem que está sendo proposta se baseia no deutério (²H) e no trítio (³H), vistos pela comunidade científica como o par mais promissor de combustíveis para manutenção sustentada da fusão nuclear para geração de energia.

A diferença está em um ajuste das propriedades quânticas do combustível usando um processo já existente, conhecido como polarização de spin. Isso não apenas obterá a eficiência máxima dos combustíveis, como também reduzirá drasticamente a quantidade de trítio (ou trício) necessária para iniciar e manter as reações de fusão, levando a sistemas de fusão mais compactos, de menor custo e maior segurança, já que o trítio é radioativo.

Além de precisar polarizar o spin apenas na metade dos combustíveis, a porcentagem de deutério pode subir para 60% ou mais da mistura, permitindo que o trítio queime de forma mais eficiente sem sacrificar a energia de fusão.

"Quando o gás sai de um fogão, você quer queimar todo o gás. Em um dispositivo de fusão, normalmente, o trítio não é totalmente queimado e ele é difícil de conseguir. Então, queríamos melhorar a eficiência da queima do trítio," disse Ahmed Diallo, do Laboratório de Física de Plasma de Princeton, nos EUA.

Esquema dos fluxos de partículas em uma configuração com maior eficiência de queima de trítio (esquerda) e uma configuração nominal (direita), ambas com potência de fusão total igual. As magnitudes das setas representam o tamanho dos fluxos de partículas. No caso da eficiência do trítio, os fluxos de trítio são menores que os fluxos de deutério.
[Imagem: Jason F. Parisi et al. - 10.1088/1741-4326/ad7da3]

Combustível polarizado por spin

O spin quântico, embora seja comumente explicado como um "giro orbital" dos elétrons, é na verdade um momento magnético, muito diferente, por exemplo, do giro físico de uma bola.

Um bom cobrador de faltas pode lançar a bola com vários efeitos de giro diferentes porque há um continuum de possibilidades. Em contraste, há apenas algumas opções discretas para o spin quântico em uma partícula. No caso do elétron, o spin só pode ser +1/2 (para cima) ou -1/2 (para baixo). E, como deutério e trítio são isótopos do hidrogênio, ambos têm apenas um elétron, e o spin do átomo é determinado pelo spin desse elétron.

Mas isso faz toda a diferença: Quando dois átomos de combustível de fusão nuclear têm o mesmo spin, eles têm uma probabilidade muito maior de se fundirem. "Ao amplificar a seção transversal da fusão, mais energia pode ser produzida a partir da mesma quantidade de combustível," explicou Jason Parisi, membro da equipe.

Embora os métodos disponíveis para polarização de spin não sejam capazes de alinhar todos os átomos, a equipe garante que não é necessário alcançar 100% de alinhamento dos spins para se obter os ganhos. Na verdade, a equipe demonstrou que níveis modestos de polarização de spin já podem melhorar substancialmente a eficiência da queima do trítio, melhorando a eficiência geral e reduzindo o consumo do combustível.

Redução do combustível radioativo

Considerando um tokamak produzindo 481 MW de energia de fusão com combustível deutério-trítio na proporção 53:47 não polarizado, é necessário ter um tanque de trítio com no mínimo 0,69 kg - estes são os valores padrão usados hoje.

Ao polarizar pelo spin metade do combustível e usar uma mistura deutério-trítio na proporção 60:40, o inventário inicial de trítio cai para meros 0,08 kg - se for possível polarizar totalmente o combustível isso viabilizará uma mistura 63:37, reduzindo ainda mais a necessidade de trítio para 0,03 kg.

O trítio também é radioativo e, embora essa radiação tenha vida relativamente curta em comparação ao combustível usado em reatores de fissão nuclear, reduzir a quantidade necessária traz benefícios à segurança porque diminui o risco de vazamento ou contaminação - existem também propostas de fusão nuclear sem radiação.

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