Esta fonte de energia potencialmente revolucionária parece um pouco mais próxima após a conquista da produção de energia de fusão em dezembro.
Cientistas do Lawrence Livermore National Laboratory ultrapassaram um importante marco de fusão em dezembro, usando 192 lasers para iniciar uma reação de fusão que produziu mais energia do que foi usada para ativá-la. A onda terminou após um momento fugaz, mas suas implicações durarão muito mais tempo.
A conquista é o ponto alto da pesquisa de fusão, um campo que produziu armas termonucleares há mais de 70 anos, mas ainda não tem reator capaz de gerar energia elétrica. Os desafios científicos e de engenharia da fusão controlada são formidáveis.
Mas o que o experimento no National Ignition Facility do LLNL, também conhecido como NIF, significa para a ciência e para o sonho de uma nova fonte de energia que alimentará nossas casas e carros sem liberar nenhum dióxido de carbono?
Resumindo, é um grande acontecimento e bom aplaudir, mas não significa que uma revolução da energia verde seja iminente. Ainda levará anos até que o progresso da energia de fusão dê frutos – provavelmente uma década ou mais – e ainda não está claro se a fusão será barata o suficiente para transformar radicalmente nossa rede elétrica. Continuar os investimentos atuais em energia solar e eólica é fundamental para combater as mudanças climáticas. Aqui está uma olhada no que aconteceu e o que ainda está por vir.
O que é fusão?
A fusão ocorre quando dois elementos mais leves, como hidrogênio ou hélio, se fundem em um único elemento mais pesado. Essa reação nuclear libera muita energia, como mostra o maior forno de fusão existente, o sol.
É mais difícil fazer com que a fusão ocorra na Terra, porque os núcleos atômicos são carregados positivamente e, portanto, se repelem. A enorme massa do Sol produz uma pressão tremenda que supera essa repulsão, mas na Terra são necessárias outras forças.
Existem duas abordagens gerais para a fusão: confinamento inercial e magnético. O confinamento inercial geralmente usa lasers para disparar uma pelota com muita força, provocando uma explosão que comprime o combustível de fusão. Esse é o método que o NIF usa.
A outra abordagem usa campos magnéticos. É mais difundido entre as empresas que tentam comercializar energia de fusão.
O que o experimento no NIF realizou?
Ele cruzou um limite crítico para a fusão, onde a energia gerada pela reação de fusão – 3,15 milhões de joules – excedeu os 2,05 megajoules que os lasers bombearam para desencadear a reação. Pesquisadores de fusão denotam a proporção de energia de saída para energia de entrada com a letra Q, e esta é a primeira vez que uma reação de fusão supera Q = 1.
Os reatores de fusão terão que atingir um limite de Q = 10 antes que a geração de energia seja prática. É isso que todos almejam, incluindo outro grande projeto financiado pelo governo chamado ITER na França. E os reatores de fusão terão que atingir Q = 10 com muito mais frequência do que o NIF.
De certa forma, é um marco acadêmico, para o qual os experimentos de fusão se aproximam há décadas. Mas, dada a reputação da fusão de nunca chegar lá, é uma prova importante do que é possível. Pense um pouco mais cuidadosamente antes de repetir aquela observação sarcástica frequentemente citada de que a fusão é a fonte de energia do futuro e sempre será.
O que o experimento NIF significa para energia verde?
Não é uma quantia enorme, por alguns motivos. Por um lado, a maioria dos projetos comerciais de energia de fusão está usando várias formas de confinamento magnético, não a abordagem baseada em laser do NIF, então os desafios de engenharia são diferentes. Por outro lado, o NIF é um gigantesco projeto de laboratório nacional de $ 3,5 bilhões financiado para pesquisar armas nucleares, não um projeto projetado para produzir energia confiável para a rede com o custo mais competitivo.
“Não espere que as futuras usinas de fusão se pareçam com o NIF”, disse o pesquisador de Princeton, Wilson Ricks, em um tweet. Enormes ineficiências nos lasers do NIF e na conversão do calor de fusão em energia elétrica significam que seu design é inerentemente impraticável. Em comparação, “a fusão de confinamento magnético é uma promessa real”, ele twittou.
Reduzir o custo da fusão é fundamental para seu sucesso, pois terá que competir com alternativas de carbono zero, como os atuais reatores nucleares baseados em fissão, que podem gerar um suprimento constante de energia e energia renovável, como eólica e solar, que são mais baratas, mas intermitentes.
“O primeiro concorrente da fusão é a fissão”, concluíram os pesquisadores do Princeton Plasma Physics Laboratory em um artigo de pesquisa de outubro, ainda não revisado por pares, que avalia as perspectivas da fusão na rede elétrica. Eles esperam que, se os altos custos da fusão puderem cair o suficiente, isso poderá substituir a necessidade de futuras usinas de fissão e, se reduzido ainda mais, também poderá competir contra a combinação de armazenamento solar e de energia.
O NIF é um site grande e complicado. Se as usinas de energia de fusão puderem ser construídas em unidades menores e mais baratas, mais parecidas com algo que sai de uma linha de fábrica, os custos de produção devem diminuir. Isso se deve a um fenômeno chamado Lei de Wright, a curva de experiência ou curva de aprendizado, que reduziu constantemente os custos da energia solar e eólica. Quanto maior e mais customizada for uma planta de fusão, menos custos cairão e menos competitiva será a fusão.
Existem pelo menos alguns benefícios menos diretos dos resultados do NIF?
Sim. Os cientistas poderiam se beneficiar um pouco do experimento NIF atualizando os modelos de física de fusão para explicar o fato de que está fornecendo seu próprio calor em vez de depender de fontes externas, disse Andrew Holland, executivo-chefe da Fusion Industry Association, um grupo de defesa da indústria.
E a atenção também pode ajudar, especialmente devido ao ceticismo de longa data sobre a energia de fusão.
O CEO da TAE Technologies, Michl Binderbauer, chamou o resultado do NIF de “um enorme trampolim para o início da era da fusão” e disse que é uma ilustração importante de que a energia de fusão é realmente plausível.
Os investidores também notaram. Os downloads do relatório anual da Fusion Industry Association, que detalha os US$ 4,8 bilhões em investimentos de capital de risco em startups de energia de fusão, aumentaram dez vezes desde que a conquista do NIF foi anunciada, disse Holland. Muitos dos que solicitam são de empresas de investimento, acrescentou.
Como funciona a fusão no NIF?
O NIF desencadeia a fusão usando 192 poderosos lasers infravermelhos com um nível de energia combinado de 4 megajoules – aproximadamente o mesmo que um caminhão de duas toneladas viajando a 160 km/h. Isso é convertido primeiro em 2 megajoules de luz ultravioleta, depois em raios-X que atingem uma pelota de combustível de fusão do tamanho de um grão de pimenta.
Os intensos raios X fazem com que a camada externa do pellet sopre explosivamente, comprimindo o interior do pellet e provocando a fusão. O calor dessa fusão sustenta a reação até que ela fique sem combustível ou fique desequilibrada e vacile.
Núcleos? Hidrogênio? Me atualize em física atômica, por favor
Certo! Aqui está uma atualização rápida.
Tudo na Terra é feito de minúsculos átomos, cada um consistindo de um núcleo central e uma nuvem de elétrons carregados negativamente. O núcleo é feito de nêutrons e prótons carregados positivamente. Quanto mais prótons no núcleo, mais pesado é o elemento.
O hidrogênio geralmente tem um próton e um elétron. Uma variedade incomum chamada deutério também tem um nêutron, e usando reatores nucleares ou reatores de fusão, você pode fazer uma terceira variedade chamada trítio com dois nêutrons.
Reações químicas, como ferrugem do ferro ou queima de madeira, ocorrem quando essas cargas elétricas e positivas fazem com que os átomos interajam. Em comparação, as reações nucleares ocorrem quando os núcleos dos átomos se separam ou se juntam. Aqui na Terra, é mais difícil mobilizar as forças necessárias para que as reações nucleares ocorram, e é por isso que é mais fácil fazer uma máquina a vapor do que uma bomba nuclear.
Quando você aquece os átomos o suficiente, eles ficam tão energéticos que os elétrons são arrancados. A nuvem resultante de elétrons carregados negativamente e núcleos carregados positivamente é chamada de plasma, um estado mais exótico da matéria do que os sólidos, líquidos e gases aos quais estamos acostumados em temperatura ambiente aqui na Terra.
O sol é feito de plasma, e os reatores de fusão também precisam dele para fazer com que os núcleos de hidrogênio saltem com energia suficiente. Uma propriedade conveniente dos plasmas é que suas partículas carregadas eletricamente podem ser manipuladas com campos magnéticos. Isso é crucial para muitos projetos de reatores de fusão.
O que você usa como combustível de fusão?
O NIF e a maioria dos outros projetos de fusão usam as duas versões pesadas de hidrogênio, deutério e trítio, chamadas de combustível DT. Mas há outras opções, incluindo hidrogênio-boro e deutério-hélio-3, uma forma de hélio com apenas um nêutron em vez dos dois mais comuns.
Para que o deutério e o trítio se fundam, você precisa aquecer um plasma a uma temperatura enorme de cerca de 100 milhões de graus Celsius (180 milhões de graus Fahrenheit). Outras reações são ainda maiores, por exemplo, cerca de um bilhão de graus para a fusão de hidrogênio-boro.
O deutério pode ser filtrado da água comum, mas o trítio, que se decompõe radioativamente ao longo de alguns anos, é mais difícil de encontrar. Pode ser fabricado em reatores nucleares e, em princípio, também em futuros reatores de fusão. Gerenciar o trítio é complexo, porque é usado para aumentar as explosões de armas nucleares e, portanto, é cuidadosamente controlado.
Como você transforma essa reação de fusão em poder?
A reação de fusão deutério-trítio produz nêutrons solo em movimento rápido. Sua energia cinética pode ser capturada em um “cobertor” de líquido que envolve a câmara do reator de fusão e se aquece à medida que os nêutrons colidem.
Esse calor é então transferido para a água que ferve e alimenta as turbinas a vapor convencionais. Essa tecnologia é bem compreendida, mas ninguém ainda a conectou a um reator de fusão. De fato, a primeira geração de reatores de energia de fusão que está sendo construída hoje é projetada para exceder Q = 1, mas não para capturar energia. Isso vai esperar pelas plantas piloto que devem chegar na próxima onda de desenvolvimento.
O trabalho de fusão é financiado pelo governo ou pelo setor privado?
Ambos. O NIF é financiado pelo programa de armas nucleares do governo dos EUA. O financiamento do governo também paga o Joint European Torus (JET) no Reino Unido e o ITER na França, ambos mais alinhados com o objetivo da geração de energia de fusão.
Mas cada vez mais a energia de fusão é financiada privadamente. Os investidores investiram US$ 4,8 bilhões no total em startups de energia de fusão, dos quais US$ 2,8 bilhões chegaram no ano passado, de acordo com o relatório anual da Fusion Industry Association publicado no início de 2022. A maior parte foi para a Commonwealth Fusion Systems, uma startup que surgiu do MIT e levantou mais de US$ 1,8 bilhão em uma rodada de financiamento em 2021.
O governo agora também está ajudando o setor privado. O Departamento de Energia dos EUA anunciou um Programa Milestone que fornece até US$ 50 milhões para construir usinas piloto de energia de fusão. O governo Biden, um proponente da fusão, disse em novembro que a energia de fusão é uma das cinco principais abordagens para reduzir pela metade as emissões de carbono até 2030 e atingir emissões líquidas zero até 2050.
“O Tio Sam está ficando sério”, disse Holland, da Fusion Industry Association. A conquista do NIF é “um momento de passar a tocha, onde vai da ciência e dos laboratórios nacionais para o setor comercial”.
Como a fusão é diferente da fissão?
A fissão, que alimenta os reatores nucleares de hoje, é o oposto da fusão. Na fissão, elementos pesados como o urânio se dividem em elementos mais leves, liberando energia no processo.
Os seres humanos conseguiram a fusão por décadas com armas termonucleares. Esses projetos colidem materiais como urânio ou plutônio para desencadear uma explosão de fissão, e isso fornece a tremenda energia necessária para iniciar a reação de fusão secundária e mais poderosa.
Nas bombas, o processo ocorre em uma fração de segundo, mas para a produção de energia, a fusão deve ser controlada e sustentada.
Os reatores de fusão criam resíduos radioativos?
Sim, geralmente, mas não é tão problemático quanto com reatores de fissão. Por um lado, a maioria das emissões radioativas são partículas alfa de vida curta – núcleos de hélio com um par de prótons e um par de nêutrons – que são facilmente bloqueadas. Os nêutrons em movimento rápido podem colidir com outros materiais e criar outros materiais radioativos.
A produção de nêutrons dos reatores de fusão geralmente degrada os componentes, exigindo substituição periódica que pode exigir um tempo de inatividade que dura talvez alguns meses a cada poucos anos. É muito mais fácil de manusear do que o lixo nuclear de alto nível das usinas de fissão.
A fusão de hidrogênio-boro é mais difícil de conseguir do que a fusão de deutério-trítio, mas parte de seu apelo é que ela não produz nenhum nêutron e materiais radioativos correspondentes. A empresa mais proeminente que busca essa abordagem é a TAE Technologies.
Quais são os riscos de segurança da energia de fusão?
As usinas de energia de fusão não apresentam os riscos de colapso que causaram problemas com reatores de fissão como os locais de Fukushima e Chernobyl. Quando uma reação de fusão dá errado, ela simplesmente desaparece.
Mas ainda existem problemas operacionais significativos que você verá nas principais instalações industriais, incluindo muita energia elétrica e vapor de alta pressão. Em outras palavras, os grandes problemas são mais parecidos com aqueles que você encontraria em um local industrial do que em uma das atuais usinas nucleares de fissão.
Portanto, há vantagens reais na fusão. O NIF ajuda a mostrar que há futuro para a energia de fusão. Mas ainda há um caminho muito longo a percorrer.