A fusão nuclear atingiu um marco histórico graças a melhores paredes nos reatores – este avanço de engenharia está a transformar os reatores do futuro

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 European 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 está “sempre daqui a 20 anos”.

Somos um físico nuclear e um engenheiro nuclear que estuda como desenvolver a fusão nuclear controlada com a finalidade de gerar 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 algumas maneiras diferentes de controlar com segurança a fusão na Terra. Nossa pesquisa se concentra na abordagem adotada pelo JET – usando campos magnéticos poderosos para confinar os átomos até que sejam aquecidos a uma temperatura alta o suficiente para se fundirem.

O combustível para os reatores atuais e futuros são dois isótopos diferentes de hidrogênio – o que significa que eles têm um próton, mas números diferentes de nêutrons – chamados deutério e trítio. O hidrogênio normal 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 tempo longo o suficiente para que os átomos de combustível colidam uns com os outros e se fundam.

Para controlar a fusão na Terra, os pesquisadores desenvolveram dispositivos em forma de rosquinha – chamados tokamaks – que usam campos magnéticos para conter o plasma. As linhas de campo magnético que envolvem o interior 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 remove 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 material da parede do desviador quando colidem com ele. Anteriormente, o desviador do JET tinha uma parede feita de grafite, mas o grafite absorve e retém muito 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 metal – uma característica extremamente importante quando o desviador provavelmente sofrerá cargas de calor quase 10 vezes maiores do que o cone do nariz de um ônibus espacial que reentrou na atmosfera da Terra. 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 – 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 tempo. 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 ITER, programado para 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 tem 11,4 metros de altura e 19,4 metros de diâmetro – mais de oito vezes maior que o JET. Além disso, o ITER utilizará ímãs supercondutores capazes de produzir campos magnéticos mais fortes por períodos mais longos em comparação com os ímãs do JET. Com essas atualizações, espera-se que o ITER esmague os recordes de fusão do JET – tanto para produção de energia quanto quanto tempo 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 significaria que o reator produziu 10 vezes mais energia do que consumiu – uma grande melhoria em relação ao JET, que exigiu cerca de três vezes mais energia para aquecer o combustível do que produziu em seu 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 industrial.

David Donovan, Associate Professor of Nuclear Engineering, University of Tennessee and Livia Casali, Assistant Professor of Nuclear Engineering, Zinkle Faculty Fellow, University of Tennessee

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