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Cientistas de um laboratório na Inglaterra quebraram o recorde de quantidade de energia produzida durante uma reação de fusão controlada e sustentada. A produção de 59 megajoules de energia em cinco segundos no experimento Joint Eu Torus – ou JET – na Inglaterra foi chamado de “um avanço” por alguns meios de comunicação e causou bastante entusiasmo entre os físicos. Mas uma linha comum em relação à produção de eletricidade de fusão é que é “sempre a 20 anos de distância.”
Nós somos uma físico nuclear e um engenheiro nuclear que estudam como desenvolver a fusão nuclear controlada para fins de geração de eletricidade.
O resultado do JET demonstra avanços notáveis na compreensão da física da fusão. Mas tão importante quanto isso, mostra que os novos materiais usados para construir as paredes internas do reator de fusão funcionaram conforme o esperado. O fato de que a nova construção da parede funcionou tão bem é o que separa esses resultados dos marcos anteriores e eleva a fusão magnética de um sonho para uma realidade.
Fusão de partículas
A fusão nuclear é a fusão de dois núcleos atômicos em um núcleo composto. Este núcleo então se separa e libera energia na forma de novos átomos e partículas que se afastam da reação. Uma usina de fusão capturaria as partículas que escapavam e usaria sua energia para gerar eletricidade.
Existem alguns diferentes maneiras de controlar com segurança a fusão na Terra. Nossa pesquisa se concentra na abordagem adotada pelo JET – usando campos magnéticos poderosos para confinar átomos até que sejam aquecidos a uma temperatura alta o suficiente para que eles se fundam.
O combustível para os reatores atuais e futuros são dois isótopos diferentes de hidrogênio – o que significa que eles têm um próton, mas diferentes números de nêutrons – chamados deutério e trítio. O hidrogênio standard tem um próton e nenhum nêutron em seu núcleo. O deutério tem um próton e um nêutron, enquanto o trítio tem um próton e dois nêutrons.
Para que uma reação de fusão seja bem-sucedida, os átomos do combustível devem primeiro ficar tão quentes que os elétrons se libertem dos núcleos. Isso cria plasma – uma coleção de íons e elétrons positivos. Você então precisa continuar aquecendo esse plasma até atingir uma temperatura acima de 200 milhões de graus Fahrenheit (100 milhões de Celsius). Este plasma deve então ser mantido em um espaço confinado em altas densidades por um período de pace longo o suficiente para átomos de combustível colidem uns com os outros e se fundem.
Para controlar a fusão na Terra, pesquisadores desenvolveram dispositivos em forma de rosquinha – chamados tokamaks – que usam campos magnéticos para conter o plasma. As linhas de campo magnético envolvendo o internal do donut agem como trilhos de trem que os íons e elétrons seguem. Ao injetar energia no plasma e aquecendo-o, é possível acelerar as partículas de combustível a velocidades tão altas que, quando colidem, em vez de se chocarem, os núcleos de combustível se fundem. Quando isso acontece, eles liberam energia, principalmente na forma de nêutrons em movimento rápido.
Durante o processo de fusão, as partículas de combustível gradualmente se afastam do núcleo quente e denso e eventualmente colidem com a parede interna do vaso de fusão. Para evitar que as paredes se degradem devido a essas colisões – que por sua vez também contaminam o combustível de fusão – os reatores são construídos para canalizar as partículas rebeldes em direção a uma câmara fortemente blindada chamada de desvio. Isso bombeia as partículas desviadas e take away qualquer excesso de calor para proteger o tokamak.
As paredes são importantes
Uma grande limitação dos reatores anteriores foi o fato de que os desviadores não podem sobreviver ao constante bombardeio de partículas por mais de alguns segundos. Para fazer a energia de fusão funcionar comercialmente, os engenheiros precisam construir um navio tokamak que sobreviverá por anos de uso nas condições necessárias para a fusão.
A parede de desvio é a primeira consideração. Embora as partículas de combustível sejam muito mais frias quando atingem o desviador, elas ainda têm energia suficiente para soltar os átomos do subject matter da parede do desviador quando colidem com ele. Anteriormente, o desviador do JET tinha uma parede de grafite, mas grafite absorve e retém muito do combustível para uso prático.
Por volta de 2011, os engenheiros da JET atualizaram o desviador e as paredes internas do vaso para tungstênio. O tungstênio foi escolhido em parte porque tem o ponto de fusão mais alto de qualquer steel – uma característica extremamente importante quando o desviador provavelmente sofrerá cargas de calor quase 10 vezes maior que o nariz de um ônibus espacial reentrar na atmosfera terrestre. A parede interna do vaso do tokamak foi atualizada de grafite para berílio. O berílio tem excelentes propriedades térmicas e mecânicas para um reator de fusão – ele absorve menos combustível que o grafite, mas ainda pode suportar as altas temperaturas.
A energia produzida pelo JET foi o que fez as manchetes, mas argumentamos que é de fato o uso dos novos materiais de parede que tornam o experimento realmente impressionante, porque os dispositivos futuros precisarão dessas paredes mais robustas para operar em alta potência por períodos ainda mais longos de pace. JET é uma prova de conceito bem-sucedida de como construir a próxima geração de reatores de fusão.
Os próximos reatores de fusão
O JET tokamak é o maior e mais avançado reator de fusão magnética atualmente em operação. Mas a próxima geração de reatores já está em andamento, principalmente o experimento ITERdeve começar a operar em 2027. O ITER – que em latim significa “o caminho” – está em construção na França e é financiado e dirigido por uma organização internacional que inclui os EUA
O ITER vai colocar em prática muitos dos avanços materiais que o JET mostrou ser viável. Mas também existem algumas diferenças importantes. Primeiro, o ITER é enorme. A câmara de fusão é 37 pés (11,4 metros) de altura e 63 pés (19,4 metros) ao redor – mais de oito vezes maior que o JET. Além disso, o ITER utilizará ímãs supercondutores capazes de produzir campos magnéticos mais fortes por longos períodos de pace comparado aos ímãs do JET. Com essas atualizações, espera-se que o ITER esmague os recordes de fusão do JET – tanto para a produção de energia quanto para quanto pace a reação durará.
Espera-se também que o ITER faça algo central para a ideia de uma usina de fusão: produzir mais energia do que é necessário para aquecer o combustível. Os modelos prevêem que o ITER produzirá cerca de 500 megawatts de energia continuamente por 400 segundos, consumindo apenas 50 MW de energia para aquecer o combustível. Isso significa que o reator produziu 10 vezes mais energia do que consumiu – uma grande melhoria em relação ao JET, que exigia cerca de três vezes mais energia para aquecer o combustível do que ele produziu por sua recente recorde de 59 megajoules.
O registro recente do JET mostrou que anos de pesquisa em física de plasma e ciência de materiais valeram a pena e trouxeram cientistas à porta de aproveitar a fusão para geração de energia. O ITER proporcionará um enorme salto em direção ao objetivo de usinas de fusão em escala commercial.
Artigo de David DonovanProfessor Associado de Engenharia Nuclear, Universidade do Tennessee e Lívia CasaliProfessor Assistente de Engenharia Nuclear, Bolsista da Faculdade Zinkle, Universidade do Tennessee
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