Matéria traduzida e adaptada do inglês, publicada pela matriz americana do Epoch Times.
A geração de energia quase ilimitada, limpa e livre de carbono a partir da fusão nuclear – uma visão que parece estar perpetuamente fora de alcance – deu passos importantes nos últimos anos para se tornar realidade.
Na esteira dos grandes avanços recentes dos laboratórios de física na geração de fusão nuclear, a busca agora se expandiu para o setor privado, onde uma proliferação de empresas iniciantes está correndo para tornar o processo comercialmente viável e lucrativo.
Se forem bem-sucedidos, o prêmio será uma fonte abundante de energia praticamente livre de carbono que não consome vastos hectares de paisagens naturais e áreas costeiras, como fazem os painéis solares e as turbinas eólicas. E, ao contrário dos reatores de fissão nuclear atuais, a energia de fusão produz relativamente pouco resíduo radioativo.
O trítio e o deutério, isótopos de hidrogênio, são os elementos usados na fusão, em vez de elementos pesados como o urânio e o plutônio, que são usados na fissão. Os produtos finais de uma reação de fusão são hélio e nêutrons.
Além de produzir menos resíduos, a fusão nuclear não acarreta o risco de reações em cadeia descontroladas como a de Chernobyl, dizem os cientistas.
Se uma usina de fissão for desligada durante uma emergência, “ela ainda pode produzir muita energia por algum tempo a partir da atividade remanescente no reator, e é por isso que ela derrete”, disse Jean Barrette, professor emérito de física da Universidade McGill, ao Epoch Times.
“Enquanto que, com a fusão nuclear, você desliga o interruptor e está tudo resolvido; não há nenhum resquício de radiação.”
Embora os benefícios potenciais da fusão sejam muitos, aproveitá-la para gerar eletricidade continua sendo uma tarefa difícil.
“O processo fundamental é bem conhecido e, é claro, é o que dá energia às estrelas”, disse Robert Fedosejevs, professor de engenharia elétrica da Universidade de Alberta e especialista em tecnologia de laser, ao Epoch Times. Mas “a fusão é a abordagem tecnologicamente mais desafiadora para a produção de energia que a humanidade já tentou.”
Nas estrelas, a imensa gravidade cria calor e pressão intensos que fazem com que vários núcleos de hidrogênio se fundam em um único núcleo de hélio. Há uma pequena perda de massa nesse processo, e essa massa “perdida” é convertida em enormes quantidades de energia de acordo com a famosa equação de Albert Einstein, e = mc².
Na ausência da gravidade do sol, entretanto, o desafio na Terra não é apenas criar uma fusão contínua, mas fazê-lo de uma forma que não exija mais energia do que a produzida.
Em dezembro de 2022, a Instalação Nacional de Ignição (NIF) do Laboratório Nacional Lawrence Livermore, na Califórnia, ultrapassou esse limite. Com o trabalho de cerca de 1.000 cientistas americanos e internacionais, a NIF criou uma reação de fusão que, pela primeira vez, produziu mais energia do que consumiu.
Isso foi feito disparando 192 feixes de laser simultâneos em uma minúscula cápsula do tamanho de um grão de pimenta de deutério e trítio (DT) para comprimi-la e aquecê-la a temperaturas entre 50 e 100 milhões de graus Kelvin até que ela se fundisse, tendo como produto um íon de hélio, um nêutron e energia.
“Eles basicamente produziram vários mega joules de energia de fusão, com apenas dois mega joules de energia de laser entrando”, disse Fedosejevs. “Essa é a referência científica para a qual as pessoas têm trabalhado nos últimos 50 ou 60 anos, para pelo menos mostrar que, em laboratório, é possível gerar mais energia para fora do que para dentro.
“Portanto, não há dúvida de que a fusão funciona. A questão é: como podemos alcançá-la tecnicamente de forma sustentável como fonte de energia?”
Passando dos laboratórios para os reatores funcionais
De uma reação pontual de nanossegundos em um laboratório para a produção confiável e econômica de eletricidade, é para onde cientistas, engenheiros e investidores de todo o mundo estão voltando seu foco.
“Estamos muito, muito longe das fábricas em funcionamento”, disse Barrette. “Você precisa de sucesso em muitas, muitas direções.
“Não é uma coisa que está faltando. Estão faltando muitas coisas no momento que precisam funcionar para criar um reator eficiente.”
A primeira é como criar reações sustentadas por meio da fusão, a fim de gerar eletricidade de carga básica. O desenvolvimento nessa área está seguindo um de dois caminhos: fusão por confinamento inercial a laser, o processo usado pela NIF, e fusão por confinamento magnético, que usa um campo magnético para simular a gravidade intensa das estrelas.
A fusão a laser, que Fedosejevs descreve como uma “microimplosão em um recipiente a vácuo impulsionada por um pulso de laser ultracurto”, assumiu a liderança em termos de produção de ganhos líquidos de energia a partir da reação. Os alvos de combustível DT são meticulosamente dispostos, e os lasers são todos apontados precisamente para um espaço com a largura aproximada de um fio de cabelo humano.
Em seguida, eles são disparados uma vez antes de serem recarregados e redirecionados. O processo permite cerca de uma reação por dia.
Para se tornarem viáveis para a geração de eletricidade, os lasers teriam que disparar pelo menos 100 vezes por segundo, disse Barrette, e embora a solução desse e de outros problemas não seja impossível, “eles ainda estão em fase de pesquisa.”
Os inovadores nessa área estão trabalhando para desenvolver lasers mais potentes que possam operar em uma taxa de repetição muito maior para produzir energia continuamente.
No entanto, um relatório publicado em agosto na Physics Today, escrito pelos cientistas nucleares Stefano Atzeni e Debra Callahan, observa que a fusão a laser da NIF foi realizada com tecnologia de laser de 30 anos atrás e que o progresso na tecnologia de laser e de alvos avançou até o ponto em que a fusão a laser continua a ser vista como potencialmente viável do ponto de vista comercial.
(Acima) Técnicos trabalham em um alvo (R) na Instalação Nacional de Ignição (NIF) no Laboratório Nacional Lawrence Livermore. (Embaixo, em L) Uma representação ilustrativa mostra um pellet de alvo da NIF dentro de uma cápsula hohlraum com feixes de laser entrando pelas aberturas em ambas as extremidades. Os feixes comprimem e aquecem o alvo até as condições necessárias para que ocorra a fusão nuclear. (Embaixo, à direita) Uma visão do alvo resfriado criogenicamente conforme visto pelo laser através do ponto de entrada do laser da cápsula hohlraum. Departamento de Energia dos EUA
Ao contrário da fusão a laser, a fusão magnética depende de um poderoso campo magnético para criar as condições necessárias para que a fusão ocorra.
Com a fusão magnética, uma máquina chamada tokamak, um projeto originado na União Soviética na década de 1950, usa campos magnéticos para confinar, comprimir e aquecer o plasma DT dentro de um reator em forma de rosca chamado toro. Quando a fusão ocorre, o produto é um íon de hélio e um nêutron. Esses nêutrons conseguem atravessar o campo magnético e, ao fazê-lo, são capturados por um “cobertor” do lado de fora da parede; essa é a principal fonte de calor que acabaria gerando eletricidade.
Nas décadas seguintes à sua invenção, os cientistas trabalharam para desenvolver ímãs cada vez mais fortes para gerar mais energia por períodos mais longos.
Em 1982, o Princeton Plasma Physics Laboratory criou o Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR), que estabeleceu vários recordes mundiais, incluindo o aquecimento do plasma a 510 milhões de graus centígrados, muito além dos 100 milhões de graus necessários para a fusão comercial. Essas temperaturas excedem as do centro do sol, que a NASA estima serem de cerca de 15 milhões de graus centígrados.
Em 1994, o TFTR gerou um recorde de 10,7 milhões de watts de energia de fusão controlada, o que daria para abastecer mais de 3.000 residências.
A Inglaterra também opera um tokamak, chamado Joint European Torus (JET), que também conseguiu gerar quantidades recordes de energia de fusão. Além disso, cientistas de 35 países colaboraram com o tokamak ITER na França, que será o maior ímã supercondutor já construído e está programado para começar a operar em 2034.
“Ela produzirá um campo de 13 tesla, equivalente a 280.000 vezes o campo magnético da Terra”, afirma um relatório do Departamento de Energia dos EUA (DOE). Embora a fusão a laser seja atualmente líder em termos de produção de energia demonstrada, a fusão magnética pode ser mais promissora para gerar a produção contínua de energia necessária para a eletricidade de carga básica.
“Os tokamaks podem sustentar correntes de plasma no nível de mega-amperes, o que equivale à corrente elétrica dos raios mais poderosos”, afirma o DOE. “Os cientistas da energia de fusão acreditam que os tokamaks são o principal conceito de confinamento de plasma para futuras usinas de energia de fusão.”
Para não ficar para trás, a China construiu o Tokamak Supercondutor Avançado Experimental (EAST) em Hefei, que também operou com sucesso.
Os desafios do “muro
Juntamente com a busca pelo desenvolvimento de reações de fusão comercialmente viáveis, um obstáculo igualmente grande é descobrir como construir uma estrutura física funcional e durável para conter e extrair energia das reações.
“Tivemos a ideia de ‘vamos colocar o sol em uma garrafa’ e, na verdade, a parte mais difícil não foi criar o sol”, disse Eric Emdee, físico pesquisador do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL), ao Epoch Times.
“Criamos plasmas de temperatura muito alta, temperaturas ideais para que a fusão ocorra”, disse ele. “A parte difícil é criar a garrafa.”
Em um reator tokamak, o plasma DT, contido em um campo magnético, é cercado por uma parede física, chamada de componente de revestimento de plasma (PFC), que deve suportar o calor de 100 milhões de graus da reação.
Semelhante às explosões solares, parte do plasma escapa do campo magnético durante as reações, ameaçando danificar a parede do vaso. Além disso, os materiais da parede podem interagir com o plasma, diluindo-o e reduzindo a capacidade de fusão do DT.
“Estamos no ponto em que estamos fazendo a transição de experimentos para projetos de protótipos de reatores, mas ainda precisamos determinar como ter interações aceitáveis entre plasma e material”, disse Emdee. “Como podemos criar um projeto para as paredes do vaso que seja econômico? Quais são os materiais que poderíamos usar e que são melhores para o plasma?”
A pesquisa de Emdee concentra-se nos materiais para o PFC que poderiam resolver esses problemas e desviar o calor para evitar danos ao reator. Ele está investigando o uso de metais líquidos para dissipar o calor, como o lítio líquido, que fluiria ao longo da parede do tokamak.
Além dos problemas de reação e contenção, a produção do combustível para fusão também tem seus desafios, que são ampliados pela necessidade de gerá-lo em grandes quantidades.
Para a fusão a laser, escrevem Atzeni e Callahan, os alvos de combustível são atualmente criados à mão em um processo de trabalho intensivo. Para que essa tecnologia se torne comercialmente viável, no entanto, milhões de alvos de combustível teriam que ser usados em um reator todos os dias em que ele opera, e a capacidade de produzir combustível DT em massa ainda não foi demonstrada.
O deutério é abundante e pode ser encontrado na água do mar, mas o trítio precisa ser “criado” a partir de elementos como o lítio. Com a fusão magnética, o trítio pode ser produzido dentro do próprio tokamak.
“Para fazer isso, é preciso ter um ciclo de combustível em que os nêutrons da energia de fusão sejam capturados no lítio para gerar o trítio e, em seguida, extrair o trítio e usá-lo como combustível”, disse Fedosejevs.
“Portanto, há uma série de detalhes que ainda são um grande desafio, mas que, no que diz respeito à ciência, parecem tratáveis, embora ninguém tenha feito isso ainda em uma escala que seria necessária para um reator.”
Capital de investimento em ascensão
Um elemento adicional necessário para o desenvolvimento da eletricidade baseada em fusão é o dinheiro. Mas aqui também há motivos para otimismo.
Nos últimos anos, uma proliferação de empresas iniciantes tem procurado desenvolver a fusão comercial. Elas geralmente são ramificações de universidades envolvidas em pesquisa de fusão, como o MIT e Princeton, e frequentemente colaboram com o meio acadêmico em pesquisa e desenvolvimento.
Muitas delas receberam subsídios do governo. Em maio de 2023, o DOE anunciou US$ 46 milhões em subsídios para o desenvolvimento comercial da fusão, concedidos a oito empresas em sete estados. Os beneficiários foram Commonwealth Fusion Systems, Focused Energy Inc., Princeton Stellarators Inc., Realta Fusion Inc., Tokamak Energy Inc., Type One Energy Group, Xcimer Energy Inc. e Zap Energy Inc.
“Dentro de cinco a dez anos, os oito premiados resolverão os desafios científicos e tecnológicos para criar projetos para uma planta piloto de fusão que ajudará a trazer a fusão para a viabilidade técnica e comercial”, afirmou o DOE em um comunicado à imprensa.
Em junho, o DOE anunciou sua “Estratégia de Energia de Fusão 2024”, que fornecerá mais US$ 180 milhões para o desenvolvimento de eletricidade baseada em fusão.
“O desenvolvimento da energia de fusão como uma fonte de energia limpa, segura e abundante tornou-se uma corrida global, e os EUA continuarão na liderança”, disse o vice-secretário do DOE, David Turk, em um comunicado.
Ao mesmo tempo, o capital de investimento privado em fusão nuclear dobrou nos últimos dois anos, atingindo um total de quase US$ 6 bilhões em 2023, de acordo com a EnergyWorld.
No ano passado, a Helion Energy, uma start-up sediada no estado de Washington, assinou um acordo com a Microsoft para fornecer 50 megawatts de eletricidade baseada em fusão até 2028.
“Não há dúvida de que ainda temos muito trabalho a fazer, mas estamos confiantes em nossa capacidade de entregar a primeira instalação de energia de fusão do mundo”, disse o cofundador e CEO da Helion, David Kirtly, em um comunicado.
Embora os investidores expressem a ambição de que a fusão comercial possa se tornar realidade em uma década, muitos especialistas veem um caminho mais longo pela frente.
“Se eles conseguirem manter essa taxa [de investimento], acho que estaremos no caminho certo para ver demonstrações em meados da década de 2030 e, com sorte, reatores de engenharia no início da década de 2040”, disse Fedosejevs.
Emdee tem uma visão mais cautelosa.
“Eu diria que as estimativas otimistas de que a fusão fornecerá energia para a rede talvez estejam na década de 2040”, disse ele. “Mas as estimativas mais conservadoras, que eu pessoalmente acredito serem mais realistas, são as dos anos 2060 ou 2070.”
