Podemos fazer a fusão funcionar? Uma análise realista além das grandes promessas

22 minute read

Atualizado em

No núcleo do Sol, a fusão ocorre sob intensa pressão e a uma temperatura de 15 000 000° C. Podemos realmente criar tais condições na Terra? Sim, podemos!

Terrinha soldando um sol

Existem muitos tipos de reatores de fusão e muitas empresas e laboratórios estão trabalhando neles. Existem também propostas para o uso de outros combustíveis além do trítio e do deutério. Para manter este artigo relativamente curto enquanto entramos em um certo nível de detalhe, vamos cobrir apenas o tipo de reator que estava liderando a corrida em 2020: o tokamak. Para explorar outros tipos, consulte o capítulo "Problemas em aberto"!

Os 3 requisitos malucos para a fusão

O objetivo é claro: para fazer com que o deutério e o trítio se fundam, precisamos fazer com que seus núcleos se toquem usando menos energia do que a reação de fusão produz.

Passo 1: Fazer o plasma. Para fazer com que os núcleos dos átomos se toquem, primeiro precisamos libertar os átomos de seus elétrons. Isso é feito ao aquecermos a mistura a mais de 100 000 000° C. Os elétrons e núcleos flutuantes resultantes formam um plasma. Assim como sólido, líquido e gasoso, o plasma é apenas outro estado da matéria:

Plasma: o 4º estado da matéria

Passo 2: Densidade. A densidade descreve quantas partículas são compactadas em um volume específico. No caso da fusão, queremos colocar muito deutério e trítio em um reator de fusão.

Por que precisamos disso?


Passo 3: Confinamento? Onde vamos manter esse plasma extremamente quente e altamente pressurizado? Precisamos de um recipiente especial que possa resistir a essas condições por um tempo relativamente longo. A quantidade de tempo que podemos confinar essa energia aumentou rapidamente nos últimos anos, de 30 segundos em 2013 para 101,2 segundos em 2017 (ainda era o recorde em 2020).

Requisitos para a fusão

Quando um reator de fusão é bom o suficiente?

Existem dois objetivos gerais na pesquisa e engenharia de fusão:

  • Sucesso científico: reatores produzem mais energia do que precisam para funcionar;
  • Energia barata: os custos são baixos o suficiente e a eficiência é alta o bastante para que a energia seja vendida a um valor acessível.

Até o momento, não atingimos nem o primeiro objetivo.

Você deve estar se perguntando o porquê de os reatores de fusão precisarem de energia para funcionar. Adivinhe!


A relação entre a energia de entrada e a de saída é frequentemente chamada de “Q”.

Produção líquida de energia de fusão

Para aumentar Q, podemos fazer duas coisas:

  • Usar menos energia;
  • Produzir mais energia.

Acontece que essas duas coisas estão intimamente ligadas. À medida que acontecem cada vez mais reações de fusão (ou seja, nós produzimos mais energia), o plasma se aquece cada vez mais. Isso significa que não precisamos continuar investindo tanta energia para aquecê-lo. Em algum ponto, ele pode até continuar a funcionar sem qualquer adição externa de calor!

Nos últimos 60 anos, pesquisadores têm trabalhado em diversos métodos diferentes para consertar isso. Infelizmente, quase todos esses projetos permanecem com valores de Q entre 0,0001 e 0,000001. No entanto, existe um tipo de reator (chamado "tokamak") que atingiu Q=0,65.

Vamos ver como ele funciona!

“Tokamak”: A rosquinha da fusão

Tokamak: do deutério à eletricidade

Lembre-se dos nossos três problemas:

  • Aquecer o plasma a cerca de 100 milhões de graus Celsius;
  • Densidade;
  • Confinamento do plasma de segundos a minutos.

O tokamak satisfaz os requisitos de confinamento e densidade, simultaneamente, usando campos magnéticos fortes. Esses campos magnéticos forçam os elétrons carregados negativamente e os núcleos carregados positivamente a girarem em um caminho dentro de uma forma de rosca. Como os ímãs circundam o plasma, eles criam uma alta pressão, o que aumenta a densidade do plasma.

Respire fundo. Sente-se. Certifique-se de que você entendeu tudo até agora. Porque, a partir desse momento, vamos abordar alguns dos problemas em que os pesquisadores de fusão trabalham atualmente.

Rosquinha energética!

De onde vem o deutério e o trítio?

O deutério é fácil de encontrar e é abundante – está na água do oceano. No entanto, apenas alguns quilos de trítio são produzidos pela natureza a cada ano e não existe uma “fábrica de trítio”. Os experimentos de fusão atuais muitas vezes o obtém de usinas de fissão nuclear, onde o trítio é produzido como resíduo radioativo. Mas de onde vamos consegui-lo se pararmos de usar reatores de fissão?

Felizmente, existe uma maneira de os reatores de fusão gerarem seu próprio trítio. Teoricamente, poderíamos reutilizar aquele nêutron extra para fazer mais trítio a partir do deutério! A reação completa usa deutério (1p1n) e lítio-6 (3p6n) como reagentes para produzir hélio:

Produção de trítio

O uso de lítio-6 para produzir trítio, na verdade, introduz mais energia ao sistema. Fazer isso na prática é muito difícil e é uma das áreas ativas de pesquisa e de incerteza na energia de fusão.

Como podemos obter energia de um tokamak?

Por enquanto, tudo certo. Temos deutério e trítio, podemos aquecê-los e causar a fusão. Mas como extraímos a energia?

Lembre-se de que os nêutrons não têm carga. Os campos magnéticos interagem apenas com partículas carregadas. Isso significa que o campo magnético, por mais forte que seja, não pode conter os nêutrons rápidos que são gerados a partir das reações de fusão.

Esses nêutrons rápidos são o aspecto mais valioso e mais irritante da fusão. Valioso porque é de sua velocidade que obtemos a energia, e irritante porque eles danificam as paredes do reator. Como podemos resolver isso?

Manta de produção

No gráfico (repetido) acima, você pode ver que existe uma camada chamada manta entre o plasma e os ímãs. Os nêutrons rápidos são desacelerados dentro da manta e sua energia cinética é transferida para aquecê-la. A manta quente, por sua vez, é usada para aquecer a água que, então, gira uma turbina a vapor (assim como na fissão nuclear e nas usinas de carvão).

Isso funciona em teoria, mas, na prática, é difícil construir uma manta que seja eficiente e resiliente aos danos dos nêutrons acelerados.

Como podemos melhorar os tokamaks?

Além dos problemas com as mantas, ainda não alcançamos Q>1. Existem duas variáveis particularmente importantes em um reator de fusão que podemos controlar para influenciar quanta energia é liberada em um reator de fusão:

  • R: O raio do tokamak;
  • B: A força do campo magnético.

Qual é a proporção entre o custo de um tokamak e seu raio R?


Então, quão grandes os reatores devem ser para alcançarem valores razoáveis de Q? O ITER é o maior experimento científico internacional de todos os tempos com o objetivo de alcançar Q = 10. Qual é o tamanho do reator ITER?

Reator ITER

Você consegue ver a pessoa lá embaixo? Essa coisa é ENORME.

Devido ao seu tamanho, o ITER custou dezenas de bilhões de dólares e está levando décadas para ser construído. Lembra do gráfico Q que mostramos anteriormente? Quer saber por que parou? Agora você sabe! Os reatores ficaram muito grandes, o que significa que eles demoram mais para serem construídos.

Fusão ao longo do tempo

O número no eixo y é o chamado "produto triplo de fusão". É um indicador aproximado de quanta energia um reator de fusão produz e é definido como o produto dos três atributos principais de qualquer reator de fusão:

Produto triplo de fusão

O ITER é um experimento científico, não um reator comercial. Um reator comercial provavelmente precisaria ser ainda maior. Claramente, aumentar o raio (R) não é promissor. E quanto à intensidade do campo magnético (B)?

Ímãs mais fortes poderiam tornar os reatores menores e mais baratos?

ITER versus ARC

Lembrete: quanto mais forte o campo magnético, mais fusões obtemos. Por quê?


A indução de um campo magnético requer o deslocamento de uma corrente através das bobinas do campo eletromagnético do tokamak. Na maioria dos materiais, a corrente consome energia, pois parte da eletricidade é perdida na forma de calor devido à resistência. Porém, alguns materiais – chamados desupercondutores – têm a capacidade de conduzir a corrente sem perda de calor, pois não há resistência.

Trabalhos recentes em um tipo de ímã supercondutor chamado deREBCO (Óxidos de Bário-Cobre de Terras Raras) permitiu que a força do campo magnético, "B", quase dobrasse! O fator limitante agora é a durabilidade do aço e do concreto, que mantêm tudo unido – na potência máxima, os ímãs destruiriam o reator.

O uso de ímãs REBCO é, provavelmente, um passo essencial no caminho para reatores de fusão acessíveis com Q>1.

É importante ressaltar que o ITER ainda usa os supercondutores antigos e mais fracos.

Conclusão

A fusão sempre foi uma "tecnologia do futuro", mas realmente estamos chegando perto de Q = 1.

Empresas privadas e laboratórios universitários estão atualmente trabalhando para integrar ímãs REBCO a reatores de fusão tokamak. Seus progressos serão um indicador crucial para a possiblidade de fusão, mas alcançar Q maior que 1 não é o único problema na pesquisa de fusão.

Existem vários problemas em aberto na tecnologia de manta, na produção de trítio e na proteção de reator. Essa é uma grande fonte de incerteza. No entanto, nas próximas décadas, provavelmente descobriremos se a fusão pode ser a fonte de energia limpa e abundante que esperamos.

Próximo Capítulo