Fusão
Nuclear: Janelas de diamante para alimentar uma estrela artificial
Redação
do Site Inovação Tecnológica - 05/09/2018
Cada janela de diamante destas custa quase meio milhão de reais.
[Imagem: Tanja Meibner/KIT]
Girotrons
No calor do Sol e das demais
estrelas, átomos de hidrogênio são fundidos em hélio e, no decorrer dessa
reação de fusão nuclear, quantidades gigantescas de energia são liberadas.
Nas usinas de fusão nuclear na Terra, esse "fogo das
estrelas" promete um dia contribuir para o fornecimento de energia
sustentável e segura. Em todo o mundo, engenheiros e físicos especializados em
fusão nuclear estão cooperando para colocar os primeiros reatores em operação.
No Instituto de Tecnologia
Karlsruhe, na Alemanha, os chamados girotrons estão sendo desenvolvidos para o
reator de pesquisa ITER e para reatores menores, como o Wendelstein 7X.
Girotrons são osciladores de
micro-ondas que geram uma temperatura de até 150 milhões de graus Celsius no
reator, semelhante a um forno de micro-ondas muito grande. Esta alta
temperatura faz com que o combustível de trício atinja o estado de plasma
necessário para a fusão nuclear.
Janelas de diamante
Para guiar a radiação de
micro-ondas dos girotrons até o plasma magneticamente isolado dentro reator são
necessárias janelas muito especiais.
Para fabricar essas janelas,
apenas um material se mostrou adequado até agora: o diamante. "Nenhum
outro material conhecido sobrevive à radiação de micro-ondas extrema e, ao
mesmo tempo, tem a permeabilidade necessária com baixas perdas," disse o
professor Dirk Strauss, que está desenvolvendo a tecnologia de janelas de
diamante com seu colega Theo Scherer.
Para guiar a radiação de mais de
um megawatt para o interior do reator de pesquisa ITER, várias janelas de
diamante foram projetadas e produzidas em cooperação com parceiros da
indústria. Enquanto isso, os pesquisadores já estão trabalhando em unidades de
janela para o sucessor do ITER, chamado DEMO, no qual a energia será produzida
a partir de 2050.
Outros reatores de fusão nuclear, no Japão e nos EUA, também escolheram
o diamante, mas para conter o
combustível do reator de fusão. [Imagem: Hiroki Kato/U.Osaka]
"Nossos discos têm um
diâmetro de 180 mm e têm até 2 mm de espessura," conta Theo Scherer.
"Isso os torna a maior estrutura de diamantes sintéticos já produzida
pronta para uso."
Os discos são feitos de diamante
sintético por deposição química a vapor (CVD), uma técnica especial de
revestimento. Os diamantes CVD crescem em uma superfície de silício em um
pequeno reator a vácuo no qual vai sendo inserida uma mistura de gases. Por
meio de irradiação de micro-ondas, essa mistura é transformada em plasma,
semelhante ao que acontece em um reator de fusão, mas com consumo de energia
muito menor. O plasma consiste em hidrogênio atômico, que impede a formação
indesejada de grafite, e uma pequena quantidade de metano, que fornece o
carbono para o diamante.
"É um processo demorado e
muito complexo," conta Strauss. "A janela de diamante cresce alguns
micrômetros por hora."
O produto final é consequentemente
caro: segundo Strauss, cada disco de diamante para o reator DEMO custa algo na
faixa dos seis dígitos - mais de €$100.000 cada um.
Diamante monocristalino
A equipe está agora examinando a
estrutura superficial e as características de alta frequência das janelas para
avaliar as perdas de energia das micro-ondas ao atravessá-las. "No momento, estamos
trabalhando no desenvolvimento de discos de diamante monocristalino.
Isso poderá reduzir ainda mais as perdas de micro-ondas durante a
transmissão," adiantou Scherer.
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