Inventado em 1951, um stellarator é um dispositivo de plasma que depende principalmente de ímãs externos para confinar o plasma. Cientistas que pesquisam a fusão de confinamento magnético pretendem usar dispositivos stellarator como um recipiente para reações de fusão nuclear.
O nome refere-se à possibilidade de aproveitar a fonte de energia das estrelas, como o Sol. É um dos primeiros dispositivos de energia de fusão, juntamente com o z-pinch e o espelho magnético. A forma geométrica necessária para criar um dispositivo stellarator estável era impossível de alcançar até agora: a Type One Energy, uma startup sediada nos EUA, levantou 50 milhões para construir a NEBULA , uma impressora 3D gigante que pode fabricar a complexa geometria espiralada do stellarator, com o objetivo de alcançar uma reação de fusão nuclear sustentável na próxima década.
O stellarator é um sistema de energia de fusão nuclear que usa campos magnéticos para confinar gás ionizado em condições de fusão nuclear usando combustível de hidrogênio obtido da água. Seus recursos inerentemente práticos o tornam altamente atraente para as concessionárias para operações de carga básica 24 horas por dia, 7 dias por semana, que podem ser implantadas em praticamente qualquer lugar. Em desenvolvimento por várias nações, o stellarator tem feito grandes avanços nos últimos anos em direção ao objetivo de gerar energia excedente.
A forma de fita espiralada do dispositivo produz plasma de alta densidade que é mais estável que o de um tokamak, no entanto, sua geometria desafiadora o torna complicado de construir e extremamente sensível a condições imperfeitas. É por isso que a manufatura aditiva pode ser um divisor de águas no desenvolvimento dos reatores de amanhã.
Stellarator, aproveitando a energia das estrelas
A Type One Energy, com sede em Wisconsin, levantou mais de US$ 50 milhões para implementar a manufatura aditiva de metal de grande formato no desenvolvimento e produção de seus reatores de fusão nuclear.
Além de fornecer energia confiável e abundante quando e onde for necessário, uma usina stellarator deve ter custo competitivo para construir e operar. Isso agora é possível devido a três recursos transformacionais aplicados pela Type One em colaboração com parceiros acadêmicos, laboratórios nacionais e corporativos.
No plano da Type One, o design generativo com manufatura aditiva híbrida, materiais avançados e automação robótica permite a construção rápida e em larga escala de componentes stellarator altamente otimizados, de formato complexo, dimensionalmente precisos e sem defeitos para a forma líquida.
Isso será aumentado por avanços na teoria analítica, supercomputação e códigos sofisticados para descobrir configurações de campo magnético anteriormente ocultas que fornecem confinamento ideal do plasma para a maior e mais eficiente geração de energia. Além disso, os novos ímãs (HTS) podem transportar mais de 200 vezes a capacidade de carga atual dos fios de cobre para um reator mais compacto. Também requer menos energia de resfriamento do que os ímãs convencionais de baixa temperatura.
A campanha de comercialização tem três fases com marcos técnicos vinculados a duas construções iterativas de stellarator, demonstrando ganhos progressivos em desempenho, simplificação e custo por meio da aplicação paralela de otimização de campo magnético 3D, manufatura aditiva industrial e eletroímãs supercondutores não planares de alta temperatura.
Starblazer em produção
Em 2007, a prova dos benefícios da modelagem de campo magnético foi demonstrada pela primeira vez com o HSX – o primeiro stellarator otimizado do mundo projetado e construído pelos cofundadores da Type One, Prof. estelar. O HSX media 2,4 metros de diâmetro e custou US$ 7,5 milhões para ser construído. Devido à sua configuração otimizada, HSX provou confinamento superior através de fortes reduções no transporte neoclássico, um mecanismo de perda anteriormente indomável que faz com que partículas e calor vazem do plasma. A HSX continua a operar e passou por uma recente atualização de energia de US$ 7 milhões para ampliar seus recursos de pesquisa.
A modelagem 3D foi usada para minimizar o transporte neoclássico e foi demonstrada ainda mais com o W7-X na Alemanha, uma declaração de convicção de US $ 1,2 bilhão para stellarators otimizados pelo governo alemão. O maior stellarator experimental até hoje (raio principal de 5,5 m), o W7-X entrou em operação em 2015 e, em 2018, alcançou um recorde mundial de desempenho de fusão de stellarator com o maior produto triplo até hoje.
Com as atualizações do sistema de resfriamento em andamento, a meta é atingir em 2022 níveis de desempenho comparáveis aos dos tokamaks e em tempos de execução de 30 minutos. Esta será uma duração sem precedentes para qualquer sistema de fusão nuclear.
Com o HSX, um stellarator quase helicoidal (QHS), houve um acordo bem-sucedido de teoria e design para o experimento do mundo real. Os stellarators QH podem ser construídos e demonstrados com os principais benefícios físicos da configuração quase helicoidal. Muitas das propriedades físicas do QHS são equivalentes às características benéficas do tokamak, mas sem as instabilidades de corrente de plasma, interrupções e alta necessidade de energia de recirculação.
STARBLAZER é um novo stellarator atualmente em projeto pela Type One que incorpora otimização avançada para reduzir drasticamente o transporte neoclássico e turbulento – outra novidade mundial. A otimização do confinamento em função da geometria magnética aborda o desempenho no nível da fundação para evitar caminhos de projeto que resultariam em uma unidade de energia muito maior, menos versátil e mais cara.
Para estender o desempenho da fusão stellarator no regime de energia líquida, o STARBLAZER I será projetado para “ignição” (produção de energia de fusão autossustentável) por horas, e seguido pelo STARBLAZER II, que alcançará operação contínua em “estado estacionário”.
Para reduzir o tempo e o custo de construção, o STARBLAZER I incorporará componentes projetados generativos e fabricados com aditivos, que incluem os conjuntos de ímãs, o invólucro de suporte do ímã, o trocador de calor e o recipiente de vácuo. Paralelamente, a Type One está desenvolvendo ativamente o primeiro ímã stellarator HTS do mundo com uma bolsa do programa de fusão ARPA-E BETHE do Departamento de Energia dos EUA, em colaboração com o MIT Plasma Fusion Science Center e a Universidade de Wisconsin em Madison.
Uma impressora 3D Nebula que faz estrelas
A Energia Tipo Um está construindo a máquina que constrói a máquina. A empresa de Wisconsin está desenvolvendo desde o início NEBULA – uma plataforma proprietária de manufatura aditiva seletiva de grande formato e alta precisão feita para a produção econômica em massa dos principais componentes de fusão nuclear.
A campanha de comercialização tem três fases com marcos técnicos vinculados a duas construções iterativas de stellarator, demonstrando ganhos progressivos em desempenho, simplificação e custo por meio da aplicação paralela de otimização de campo magnético 3D, manufatura aditiva industrial e eletroímãs supercondutores não planares de alta temperatura.
A fase 1 está em andamento e as iniciativas de manufatura aditiva incluem a versão um, construída internamente da plataforma NEBULA, desenvolvimento do invólucro de suporte magnético, recipiente a vácuo e desviador, caracterizar e qualificar compósitos de matriz metálica AM para blindagem com partículas funcionais incorporadas para térmica, fluxo de nêutrons e resistência à fadiga.
A Fase 2 verá a construção AM rápida, enxuta e de baixo custo do STARBLAZER I, um stellarator de alto campo dedicado a demonstrar a potência de rede inflamada usando a configuração 3D otimizada para campo avançada.
A Fase 3 é executada na construção do STARBLAZER II, que incorpora extensos componentes AM, ímãs HTS e um escudo integrado/manta de troca de calor usando água ultra-supercrítica avançada, carboneto de tungstênio e aço F82H MMC. Isso serve como a construção radial mais compacta e durável.
A principal entrega do STARBLAZER II será a demonstração de energia de fusão líquida inflamada gerando energia continuamente em níveis comerciais. Esta será uma medida de “rede tripla” que leva em consideração a energia total de entrada “plugue de parede” usada pelo sistema de energia, as perdas da conversão da energia de fusão nuclear em eletricidade, bem como qualquer energia de recirculação realimentada no sistema.
O STARBLAZER II será combinado com a tecnologia de ciclo térmico Brayton estabelecida que emprega CO2 supercrítico como meio de trabalho para acionar uma turbina de alto calor para uma meta de eficiência de conversão de energia de mais de 43%. O reator é uma caminho para uma produção de energia mais limpa, para saber mais sobre o STARBLAZER acesse o site.
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