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Dois grandes avanços em reatores de fusão nuclear foram reportados

           A produção controlada de energia por fusão nuclear é considerada uma possível solução para os nossos problemas energéticos e ambientais, especialmente a crescente crise climática. Esta semana, dois grandes avanços no desenvolvimento de eficientes reatores baseados em fusão nuclear foram anunciados. No primeiro, descrito em um estudo publicado na Nature (Ref.1), pesquisadores Norte-Americanos demonstraram na prática um estado de burning-plasma ("queima de plasma") em um reator de confinamento inercial, um passo crítico na produção auto-sustentada de energia por fusão. No segundo, reportado pelo Laboratório JET (Ref.2), no Reino Unido, pesquisadores Europeus anunciaram um novo e importante recorde mundial para a quantidade de energia que pode ser extraída a partir da fusão de isótopos de hidrogênio (no caso, em um reator de confinamento magnético): 59 megajoules (MJ) de energia por 5 segundos (11 megawatts de potência), mais do que o dobro do que o alcançado em testes similares conduzidos em 1997.

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   REATORES DE FUSÃO NUCLEAR 

          Vários países hoje estão envolvidos em pesquisas de fusão nuclear em alguma extensão, liderados pela União Europeia, EUA, Rússia e Japão, mas com notáveis programas também sendo conduzidos na China, Canadá, Coreia do Sul e aqui no Brasil. Inicialmente, pesquisa nessa área nos EUA e na extinta União Soviética estava ligada ao desenvolvimento de poderosas armas nucleares, chegando ao ápice com a Tsar Bomba (1), e permanecendo um projeto secreto até a conferência Átomos para a Paz em Genebra, Suíça, no ano de 1958. Seguindo um notável avanço no tokamak Soviético, a corrida para a construção de reatores eficientes de fusão nuclear ganharam grande destaque. Porém, os elevados custos e alta complexidade tecnológica envolvidos nessa corrida eventualmente exigiram maior cooperação internacional.

(1) Leitura recomendada: O que é uma Bomba de Hidrogênio?

           Processos de fusão nuclear ocorrem naturalmente em estrelas, onde núcleos de átomos diversos - em especial do elemento hidrogênio (H) - são unidos sob alta temperatura e pressão, resultando na síntese de elementos ainda mais pesados (2). Hidrogênio, aquecido a temperaturas muito altas passa do estado gasoso para o estado de plasma, onde elétrons (partículas com carga negativa) são separados do núcleo positivamente carregado (devido à presença de um próton). Normalmente, fusão de núcleos atômicos não é possível por causa das fortes forças de repulsão eletrostática entre os núcleos positivamente carregados prevenindo grande aproximação e eventual fusão. No entanto, sob certas condições extremas permitindo que as forças eletrostáticas sejam vencidas e os núcleos fiquem bem próximos, a força nuclear forte (3) - a qual permite que prótons e nêutrons sejam presos juntos no núcleo atômico - atua e prevalece frente às forças repulsivas, resultando em fusão nuclear e liberação de considerável quantidade de energia. Tal condição é alcançada, por exemplo, sob temperaturas muito altas, onde os íons no plasma alcançam velocidades alta o suficiente para permitir a aproximação mínima de fusão.


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(2) Leitura recomendada: Como são formados os elementos químicos?

(3) Existem quatro forças fundamentais na natureza: eletromagnética, gravidade, força nuclear fraca e força nuclear forte. Para mais informações: Não existe gravidade no espaço?

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          No núcleo de estrelas, as massivas forças gravitacionais criam as condições ideais para a fusão nuclear entre átomos de hidrogênio. Porém, na superfície terrestre, a situação fica muito mais complicada, onde torna-se necessário temperaturas na ordem de 50 milhões de graus Celsius e intensa pressão para o combustível de fusão se tornar estável e possibilitar a ignição (quando suficiente quantidade de reações de fusão ocorrem para o processo de tornar auto-sustentável). Um meio efetivo para esse objetivo, porém sem controle da energia liberada, são as armas termonucleares (Bombas de Hidrogênio), onde uma bomba de fissão serve como "gatilho" para reações de fusão.

          Nesse sentido, pesquisa em reatores de fusão nuclear fundamentalmente visa criar um sistema que produz mais energia do que é requerida para criá-la, uma condição necessária para aplicações energéticas controladas; na prática, a reação de fusão dentro de um reator precisa ser auto-sustentada, com auto-aquecimento superando mecanismos de perda (a mencionada ignição). Várias estratégias têm sido desenvolvidos para aquecer e confinar plasma ao longo das últimas décadas, com a maioria delas utilizando combustível baseado em deutério (D) e trítio (T) - uma combinação dos dois isótopos mais pesados de hidrogênio -, o qual alcança mais facilmente ignição. 

           Cada evento de fusão deutério (D) + trítio (T) libera 17,6 MeV (2,8 x 10-12 joules), comparado com 200 MeV para a fissão de urânio-235 e 3-4 MeV para a fusão D-D. Em termos de massa, a reação de fusão D-T (massa atômica somada igual a 5) libera acima de 4 vezes a energia liberada na fissão de urânio (massa atômica de 235). 

          O deutério ocorre naturalmente na água do mar (30 gramas por metro cúbico/1000 L), o que o torna muito abundante em relação a outras fontes energéticas hoje acessíveis. O trítio ocorre naturalmente apenas em quantidades traços (produzido por raios cósmicos interagindo com nitrogênio-14; cerca de 0,2 kg/ano) e é radioativo, com uma meia-vida de 12,3 anos (decaindo para hélio-3). Naturalmente, é estimado que existam 3,5 kg de trítio na Terra. Em reatores nucleares convencionais, quantidades úteis de trítio podem ser produzidas, usando água pesada (H2O2) como moderador. É estimado que o inventário mundial de trítio obtido em reatores é de apenas ~30 kg, enquanto que uma única usina termonuclear de 500 MW queimaria cerca de 28 kg desse isótopo anualmente (considerando operação em máxima capacidade).

          Para superar a escassez de trítio, este pode ser obtido em significativa escala através de sistemas de fusão acoplados com lítio. Lítio (Li) é encontrado em grandes quantidades (30 partes por milhão) na crosta terrestre, incluindo rochas marinhas. A produção in situ de trítio (T) a partir de lítio é dada pela seguinte reação, onde n é um nêutron: 


          Nesse contexto, lítio/trítio e deutério representam, na prática, fontes quase ilimitadas de combustível nuclear, pelo menos considerando uma escala de alguns milhares de anos e o atual nível de consumo energético.

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> A longo prazo o desejável é que fusão controlada entre núcleos de deutério (D-D) seja alcançada, algo que requer temperaturas muito mais altas.

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          Em um reator de fusão, o conceito é que nêutrons gerados da reação de fusão D-T serão absorvidos em uma manta contendo lítio (para a produção in situ de mais trítio) e berílio (para a multiplicação de nêutrons), a qual estará cercando o plasma gerado. Em específico, o lítio na manta é transformado em trítio (o qual é usado para alimentar o reator) e hélio. A manta precisa ser grossa o suficiente (cerca de 1 metro) para desacelerar os nêutrons de alta energia (~14 MeV) produzidos nas reações de fusão. A energia cinética dos nêutrons é absorvida pela manta, aquecendo-a. A energia térmica associada é então coletada pelo refrigerante (água, hélio ou Li-Pb eutético) circulando através da manta e, em uma planta de usina nuclear de fusão, essa energia será usada para gerar eletricidade por métodos convencionais (ex.: produção de vapor para movimentar turbinas).

          No geral, temos três principais desafios para o desenvolvimento de reatores eficientes de fusão nuclear:

- Método para aquecer o combustível D-T a uma temperatura alta o suficiente e confiná-lo por tempo suficiente para que muito mais energia seja liberada do que consumida através das reações de fusão. Além disso, um reator precisa produzir 5% mais trítio do que consome para garantir auto-sustentação e fornecer trítio para futuras reações.

- A densidade de energia das reações de fusão a partir de gás hidrogênio é muito menor do que as reações de fissão em combustível sólido, resultando em uma produção de calor por unidade reativa 70 vezes menor. Além disso, o combustível sólido permite que a energia liberada seja mais concentrada. Ou seja, fusão termonuclear sempre terá uma densidade de potência gerada muito menor do que na fissão nuclear tradicional, significando que qualquer reator de fusão precisa ser maior e mais custoso para gerar a mesma energia de um reator de fissão. O balanço final de custos precisa ser competitivo em relação a outras tecnologias renováveis e não-renováveis de geração energética. 

- A energia dos nêutrons gerados na fusão é maior do que na fissão (14,1 MeV contra ~2 MeV), implicando a necessidade de materiais estruturais muito avançados e intricada engenharia. Soma-se a isso o envolvimento de temperaturas extremamente elevadas, intensa produção de elementos de transmutação (em particular, H e He) e cargas termomecânicas muito altas.

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> Importante mencionar que problemas de radioatividade e risco de sérios acidentes persistem nos reatores de fusão nuclear, apesar de muito inferiores àqueles associados as usinas de fissão nuclear. Um dos problemas mais relevantes é a criação de poeira tóxica e radioativa devido à interação do plasma dentro da câmara de vácuo e sua re-suspensão por fluxos de ar pressão-induzidos saindo do sistema através de falhas estruturais (Ref.4-5). Produção excessiva de nêutrons energéticos é também um forte fator de desgaste estrutural interno do reator. Reatores de fusão a base de boro (B) têm sido testados como uma alternativa mais segura ao uso tradicional de D-T (4). Outra alternativa sugerida para reduzir drasticamente a produção final de nêutrons não aproveitados é o uso de hélio-3 (3He), um dos isótopos do hélio (He), como combustível de fusão (Ref.6). Apesar de ínfimas quantidades na superfície da Terra, a Lua detém significativas reservas desse isótopo devido à ausência de uma magnetosfera e constante bombardeamento direto de ventos solares (carregado de íons 3He produzidos nas fusões internas do Sol). Porém, fundir núcleos de 3He com deutério não é uma tarefa fácil, e provavelmente uma tecnologia para tal não aparecerá neste século.


(4) Leitura recomendadaFusão nuclear totalmente limpa e controlada pode estar bem próxima com o uso de hidrogênio e boro

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          Duas principais arquiteturas de reatores nucleares têm sido exploradas para superar esses desafios: uma baseada em confinamento magnético e a outra baseada em confinamento inercial.  

- Confinamento Magnético: Aqui são usados fortes campos magnéticos para conter o plasma quente. Centenas de metros cúbicos de plasma D-T a uma densidade inferior a 1 mg/m3 são confinados por um campo magnético sob pressões moderadas e aquecidos até a temperatura de fusão. Campos magnéticos são ideais para o confinamento de plasma porque as cargas elétricas associadas aos elétrons e núcleos positivos dissociados naturalmente seguem as linhas de um campo magnético. O objetivo é prevenir as partículas de entrarem em contato com as paredes do reator (onde calor seria dissipado e as partículas desaceleradas). A mais efetiva configuração magnética é toroidal, na qual o campo magnético é curvado ao redor de um laço fechado. O mais conhecido e testado tipo de sistema toroidal é o tokamak (toroidalnya kamera ee magnetnaya katushka – "câmara magnética toroidal"), projetado em 1951 pelos Físicos Soviéticos Andrei Sakharov e Igor Tamm

- Confinamento Inercial: Envolve implodir uma pequena cápsula de poucos milímetros de diâmetro preenchida com combustível D-T. A cápsula é tipicamente aquecida com raios-X gerados a partir de lasers de alta potência, transformando o combustível em plasma e arremessando para longe a camada mais externa da cápsula (ablação). Esse plasma acelera para dentro em reação à ablação, como uma estrela colapsando, comprimindo o combustível em uma minúscula esfera com temperaturas excedendo 100 milhões de graus Celsius e uma pressão >100 bilhões de vezes maior do que aquela exercida pela atmosfera terrestre. Sob essas condições, ocorre a fusão dos isótopos de hidrogênio, liberando energia. O tempo requerido para as reações de fusão ocorrerem é limitado pela inércia do combustível (daí o nome), ficando abaixo de um microssegundo.

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   NOVO AVANÇO - CONFINAMENTO MAGNÉTICO

           Em anúncio feito na última quarta-feira (9 de fevereiro de 2022), cientistas reportaram que um recorde de 24 anos foi quebrado no JET (Joint European Torus), um laboratório Britânico de testes para fusão nuclear, baseado em um reator tokamak (Ref.3). Durante 5 segundos, em um experimento conduzido no dia 21 de dezembro de 2021, o JET produziu um 'pulso' de energia auto-sustentada de 59 MJ, mais do que o dobro da energia liberada em 1997 durante 4 segundos (21,7 MJ). Apesar do feito de 1997 reter ainda o recorde de 'pico de potência' (durante uma fração de segundo), a média de potência associada é menos do que a metade do novo recorde registrado.


          O novo recorde - comemorado por cientistas do mundo todo - é fruto de 20 anos de otimização experimental e estrutural do JET, acompanhando os avanços tecnológicos do século XXI e representando um passo muito importante para o efetivo controle da fusão nuclear para fins de fornecimento em larga escala de energia elétrica.

          O JET é um protótipo do reator ITER sendo construído na França e que usa a mesma tecnologia e combustível (D-T). Com um custo de US$22 bilhões e esperado ficar pronto para experimentos de fusão em 2025, o ITER é esperado de finalmente alcançar o controle efetivo da fusão nuclear (ignição de longa duração), e o novo recorde no JET alimenta ainda mais essa esperança.

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   NOVO AVANÇO - CONFINAMENTO INERCIAL

          Em ordem para o plasma envolvido em uma fusão D-T se tornar termicamente instável e entrar em ignição, é primeiro preciso obter um burning-state ("estado de queima"). Nesse regime, auto-aquecimento a partir da deposição de partículas alfas excede o aquecimento externo para a fusão D-T; essa razão é denominada Qα, onde o auto-aquecimento é considerado relativo ao aquecimento externo introduzido - para a fusão inercial esse último valor é o trabalho de compressão (PdV) feito sobre o combustível e não a energia total dos lasers usados (P = pressão, dV = mudança do volume). Qα > 1 é um plasma em estado de queima.

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> Embora liberação de energia por fusão nuclear em reatores é comumente associada à liberação de nêutrons, cerca de 1/5 da energia liberada da fusão D-T é carregada por partículas alfa (α) - um núcleo composto de dois prótons e dois nêutrons (He2+) -, indicada por [D + T → α (3.5 MeV) + n (14 MeV)]. 

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           O NIF (National Ignition Facility) é um grande reator de confinamento inercial nos EUA, instalado no Laboratório Nacional Livermore, na Califórnia. No NIF, 192 poderosos feixes de laser são focados em um hohlraum (uma estrutura oca constituída de um elemento de alto número atômico, como o ouro), com pulsos de poucos bilionésimos de um segundo entregando até 1,9 MJ de energia ultravioleta (UV) e picos de potência energética de até 500 terawatts (TW). No hohlraum, a radiação UV é convertida em raios-X, estes os quais incidem sobre a cápsula contendo o combustível D-T, fixada no centro da estrutura. A superfície exposta da cápsula (no caso, feita de diamante) no centro do hohlraum absorve aproximadamente 10-15% dos raios-X, tornando sua camada mais externa ionizada e gerando altas pressões da ordem de centenas de Mbar (1 Mbar = 1011 Pa). Essa camada externa, então, expande-se para longe da cápsula - um processo chamado de ablação. Seguindo a 3° Lei de Newton (ação e reação), o combustível D-T dentro da cápsula implode com extrema pressão em resposta à ablação.  



          Pouco após o combustível D-T alcançar o pico de energia cinética, a pressão (P) dentro da implosão aumenta dramaticamente, a níveis de várias centenas de Gbar (1 Gbar = 1014 Pa), à medida que a energia cinética é convertida em energia interna no D-T (processo de estagnação). Junto com um elevado aquecimento fornecido por parte dos raios-X absorvidos (elétrons e íons no plasma a cerca de 4-5 KeV; 1 KeV = 1,16 x 107 K, quase 12 milhões de graus Celsius). Nessas condições de alta pressão e alta temperatura, fusão nuclear é iniciada e o auto-aquecimento resultante aumenta ainda mais a temperatura interna.

          Porém, para uma efetiva ignição, o estado de burning-plasma precisa primeiro ser alcançado, no qual o plasma produzido no reator estará sendo predominantemente auto-aquecido. Esse crítico estado, até o momento, não havia sido ainda demonstrado no NIF e em nenhum outro reator baseado em confinamento inercial.

          Agora, no novo estudo publicado na Nature, pesquisadores associados ao NIF reportaram a primeira e comprovada obtenção do estado de burning-plasma, marcando um passo fundamental para uma efetiva fusão nuclear auto-sustentada nesse tipo de reator. Segundo os pesquisadores, o estado de burning-plasma foi criado usando uma estratégia para aumentar a escala espacial da cápsula através de dois diferentes conceitos de implosão do combustível D-T. Os experimentos mostraram um auto-aquecimento bem acima do trabalho mecânico injetado para a implosão, satisfazendo várias métricas características do burning-plasma.

          Somando-se a isso, um subconjunto de experimentos conduzidos pelos pesquisadores sugeriram que o limite estático de auto-aquecimento foi ultrapassado no NIF, onde o aquecimento gerado por fusão supera as perdas de energia a partir de radiação e condução dentro do reator.




          Os achados do estudo corroboram um anúncio feito por cientistas do NIF em novembro do ano passado, onde um recorde de 1,3 MJ liberado pelo reator foi registrado em um experimento conduzido em agosto (2021) (Ref.8). Esse recorde marcou pela primeira vez uma alegada ignição engatilhada por um reator de confinamento inercial. Apesar desse valor ser bem inferior ao valor total injetado no sistema pelos lasers (1,9 MJ), os pesquisadores do NIF lembraram que apenas cerca de 230 KJ da energia total dos lasers alcançou efetivamente a cápsula (massivas perdas ocorrendo ao longo do caminho dos feixes de laser). Nesse sentido, a fusão nuclear no reator gerou quase 6 vezes mais energia do que foi injetado diretamente na cápsula.

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   CONCLUSÃO

          Se alcançado máximo potencial, os reatores de fusão nuclear podem em um futuro próximo fornecer ao mundo uma quantidade quase ilimitada de eletricidade, com mínimo impacto ambiental, e sem emissão de poluentes e gases estufas. Os novos avanços reportados essa semana marcam um passo muito importante rumo à realidade comercial e prática da fusão nuclear, seja por confinamento inercial seja por confinamento magnético. Porém, é também relevante reforçar que ainda estamos relativamente longe dessa realidade com o atual status tecnológico. Para tornar um reator de fusão comercialmente viável, a reação precisa produzir substancialmente mais energia do que a necessária para operar todo o reator, e não apenas satisfazer o conceito teórico de ignição. Por exemplo, para criar a energia de 1,9 MJ liberada pelos lasers do NIF, cerca de 400 MJ de eletricidade são gastos; o atual recorde de geração energética auto-sustentada é de 1,3 MJ. O futuro super-reator ITER na França está prometendo vencer essa última barreira.


REFERÊNCIAS CIENTÍFICAS

  1.  Zylstra et al. (2022). Burning plasma achieved in inertial fusion. Nature 601, 542–548. https://doi.org/10.1038/s41586-021-04281-w
  2. https://www.nature.com/articles/d41586-022-00391-1 
  3. https://ccfe.ukaea.uk/research/joint-european-torus/
  4. Malizia et al. (2016). A Review of Dangerous Dust in Fusion Reactors: from Its Creation to Its Resuspension in Case of LOCA and LOVA. Energies, 9, 578.  
  5. Rossi et al. (2021). Numerical simulations of radioactive dust particle releases during a Loss Of Vacuum Accident in a nuclear fusion reactor. Fusion Engineering and Design, 163, 112161.
  6. De Temmerman, G. (2021). The helium bubble: Prospects for 3He-fuelled nuclear fusion. Joule, 5(6), 1312–1315. https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.05.003
  7. https://lasers.llnl.gov/news/look-back-nif-target-chambers-big-lift
  8. https://physics.aps.org/articles/v14/168