Materiais Avançados

Fusão Nuclear: Janelas de diamante para alimentar uma estrela artificial

Fusão Nuclear: Janelas de diamante para alimentar uma estrela artificial
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.

Fusão Nuclear: Janelas de diamante para alimentar uma estrela artificial
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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