A comunidade internacional de fusão escolhe o tungstênio como material principal para o divertor

De acordo com pt.wedoany.com-Após anos de seleção de materiais e validação de engenharia, o tungstênio tornou-se a escolha principal no projeto de divertores dos atuais dispositivos de fusão magnética internacional.

Este artigo revisa a história do desenvolvimento de materiais de plasma de fusão, analisa por que os materiais de carbono dominaram por muito tempo e gradualmente foram substituídos, e por que o tungstênio se tornou a solução preferida para os principais dispositivos de fusão internacional atualmente.

Nas décadas de 1980 e 1990, os materiais à base de carbono foram amplamente utilizados no campo da fusão magnética. Dispositivos como o Joint European Torus (JET), o Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR) dos EUA e o JT-60U do Japão usaram extensivamente grafite ou compósitos de fibra de carbono como materiais principais para componentes voltados para o plasma. Os materiais de carbono apresentam excelente resistência ao choque térmico e baixo número atômico, destacando-se nas condições experimentais iniciais. No entanto, quando a pesquisa de fusão entrou na fase de reatores de combustível deutério-trítio (D-T), os materiais de carbono enfrentaram o sério desafio da retenção de combustível. Sob bombardeio de plasma, os materiais de carbono sofrem pulverização química, gerando hidrocarbonetos que, durante a deposição, aprisionam grandes quantidades de deutério e trítio. Resultados experimentais do JET e do DIII-D mostraram que a codeposição é uma das principais fontes de retenção de trítio, com níveis de retenção de combustível muito acima do permitido para futuros reatores de fusão. Com a proposta do ITER e de futuras subestações de fusão, os critérios de avaliação de materiais mudaram de servir à física experimental para servir à engenharia de energia. O controle do inventário de trítio, a sustentabilidade do ciclo de combustível, a vida útil dos materiais e a segurança regulatória tornaram-se novos indicadores-chave, levando à saída gradual dos materiais de carbono do mainstream.

Em 2011, o JET, localizado no Reino Unido, concluiu uma atualização histórica, substituindo todas as paredes internas de carbono por uma parede semelhante à do ITER (ITER-Like Wall, ILW), composta por um primeiro muro de berílio e um divertor de tungstênio. Esta foi a primeira vez que a comunidade internacional de fusão realizou uma validação sistemática do conceito de parede metálica do ITER em um grande tokamak. Os resultados experimentais mostraram que, em comparação com o período de parede de carbono, a codeposição foi significativamente reduzida após a substituição pela parede metálica, com níveis de retenção de combustível caindo cerca de uma ordem de grandeza, alcançando reduções de 10 a 20 vezes em algumas condições operacionais. Esses resultados demonstraram claramente que os materiais metálicos voltados para o plasma podem reduzir significativamente o inventário de trítio, fornecendo uma base experimental importante para o estabelecimento de um ciclo de combustível sustentável em futuros reatores de fusão. No entanto, os experimentos do JET ILW também mostraram que a parede metálica trouxe novos desafios operacionais, incluindo degradação inicial do confinamento de energia do plasma e problemas de controle de impurezas de alto Z. O tungstênio é um material típico de alto número atômico (alto Z). Uma vez que pequenas quantidades de impurezas de tungstênio entram no plasma central, suas perdas por radiação são muito maiores do que as de elementos de baixo Z, e a concentração de impurezas de tungstênio na região central geralmente precisa ser controlada na ordem de ppm ou até menor. No geral, os experimentos do JET ILW provaram a viabilidade de engenharia de um sistema de materiais de reator baseado em parede metálica.

O tungstênio se tornou a solução principal devido ao equilíbrio de suas propriedades abrangentes. O tungstênio tem um ponto de fusão de até 3695 K e, com estruturas de resfriamento ativo eficientes, pode suportar cargas térmicas estacionárias na ordem de 10 a 20 MW/m². O tungstênio possui um alto limiar de pulverização física, resultando em taxas de erosão mais baixas, e não sofre pulverização química significativa como o carbono, que leva ao aprisionamento em larga escala de combustível. O nível geral de retenção de isótopos de hidrogênio é significativamente menor do que o dos materiais de carbono. No entanto, o tungstênio não é um material ideal, ainda enfrentando problemas de fragilização em altas temperaturas e recristalização. A operação prolongada em altas temperaturas (geralmente acima de 1200 a 1300 graus Celsius) causa recristalização do tungstênio, aumentando sua fragilidade. Sob bombardeio contínuo de íons de hélio, quando a temperatura do material está na faixa de aproximadamente 900 a 2000 Kelvin, a superfície do tungstênio pode formar estruturas nanofibrosas conhecidas como "W-fuzz" (felpa de tungstênio). Essas estruturas podem se desprender, formando poeira metálica e afetando as características de transferência de calor. Atualmente, a comunidade internacional de fusão acredita que apenas melhorar as propriedades dos materiais não será suficiente para resolver fundamentalmente o problema de dissipação de calor em futuros reatores de fusão. Avanços futuros provavelmente virão do desenvolvimento coordenado de múltiplas direções, incluindo materiais, design estrutural do divertor, otimização da configuração magnética e controle operacional.

Atualmente, a maioria dos projetos divulgados publicamente por empresas comerciais de fusão magnética continua a usar tungstênio como material do divertor, incluindo China Fusion Company, Fusion New Energy, CFS, Tokamak Energy, Type One Energy, entre outras. Até o momento, nenhuma empresa mainstream de fusão magnética propôs uma solução madura de material sólido voltado para o plasma que possa substituir completamente o tungstênio. Revisitando a história do desenvolvimento, a evolução dos materiais do divertor não se trata de encontrar continuamente materiais com melhor desempenho, mas sim de buscar continuamente soluções de engenharia que melhor atendam às necessidades operacionais dos reatores de fusão. A transição do carbono para o tungstênio reflete a mudança no sistema de avaliação da pesquisa de fusão, da física experimental para a engenharia de energia. À medida que os materiais sólidos se aproximam gradualmente de seus limites de carga térmica, a comunidade de fusão está voltando sua atenção para novas direções, como configurações avançadas de divertor, controle ativo de fluxo de calor e materiais líquidos voltados para o plasma.