Fusão nuclear: o que é e como ela pode ajudar o planeta

Reator de US$ 20 bilhões em fase de conclusão no sul da França promete revolucionar a geração mundial de energia no futuro. 

Por Michael Greshko
Publicado 25 de ago. de 2022 15:46 BRT
Tim Luce, cientista-chefe do Iter – o reator de fusão experimental gigante agora em construção no ...

Tim Luce, cientista-chefe do Iter – o reator de fusão experimental gigante agora em construção no sul da França – no local onde abrigará o gigante gerador de energia, no qual núcleos de hidrogênio serão aquecidos a centenas de milhões de graus e fundidos em hélio.

Foto de Paolo Verzone National Geographic

Durante sete anos, Bernard Bigot supervisionou a construção de um edifício tão ambicioso e desafiador, e de tal importância para a humanidade, que às vezes pensava nele como uma catedral.

Erguendo-se de um terreno de 180 hectares no sul da França, uma hora ao norte de Marselha, é realmente uma construção muito estranha. Não são muitos os prédios que abrigam câmaras de vácuo cavernosas ou exigem precisão submilimétrica durante a construção. Menos ainda algum que incluiria um ímã de 17 metros de altura, poderoso o suficiente para levantar um porta-aviões, ou fio de nióbio-estanho supercondutor suficiente para circundar o equador duas vezes.

O projeto que Bigot supervisionou, chamado Reator Experimental Termonuclear Internacional (Iter, na sigla em inglês), é sem dúvida o maior, mais complexo e, com um custo de mais de US$ 20 bilhões, o experimento científico mais caro já concebido. O consórcio de 35 países que financia o Iter e constrói seus componentes representa mais da metade da população mundial e 85% do PIB global. Os EUA, a Rússia, a China e a União Europeia são todos membros.

Alguns dos componentes de entrada do Iter são tão grandes que a França teve que ampliar ou reforçar 100km de estradas e pontes para levá-los ao canteiro de obras em Saint-Paul-lez-Durance. Quando o reator estiver concluído, não antes de 2025, terão se passado 40 anos de negociações, trabalhos de projeto e construção.

Tudo isso a serviço de um objetivo ousado e de um sonho de meio século: gerar energia aproveitando a fusão nuclear, a fonte de energia das estrelas. A fusão, se alguma vez puder ser domada, promete energia abundante sem fumaça de chaminés ou emissões de carbono, sem derretimentos de reatores ou resíduos radioativos de longa duração – energia sob demanda 24 horas por dia, sete dias por semana, com água do mar como a principal fonte de combustível.

Mas realizar esse sonho é um pesadelo de engenharia.

Na Terra, persuadir núcleos de hidrogênio a se fundirem em hélio requer a criação e confinamento de um “plasma” – um gás eletricamente carregado, onde os elétrons não estão mais ligados aos núcleos atômicos – em temperaturas várias vezes mais quentes do que dentro do Sol. Os cientistas aprenderam há muito tempo como desencadear o processo explosivamente dentro de bombas de hidrogênio, e os reatores de fusão de hoje podem fazer isso acontecer de maneira controlada por instantes fugazes. Mas nenhum reator jamais colocou energia líquida na rede elétrica.

Nem o Iter: imenso como é, é apenas um experimento projetado para levar os cientistas a um passo gigantesco mais perto desse graal. O objetivo do Iter é meramente superar o “ponto de equilíbrio científico” – o limite no qual um reator libera tanta energia por meio da fusão quanto é usada para aquecer o plasma.

O poço que abriga o reator tem 30 metros de largura por 30 metros de altura. Projetado para demonstrar a viabilidade científica e tecnológica da energia de fusão, o Iter será o maior experimento do mundo desse tipo quando estiver em funcionamento, provavelmente até o final da década de 2020.

Foto de Paolo Verzone National Geographic

Na linha do tempo mais otimista, um protótipo de usina de fusão não estará pronto até o início dos anos 2030. Isso significa que a fusão não pode nos salvar da necessidade de agir agora para reduzir as emissões de carbono. De acordo com o Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas, o mundo precisa reduzir as emissões anuais de CO2 pela metade nas próximas duas décadas para evitar um aquecimento perigoso de mais de dois graus Celsius. Com energia solar e eólica baratas prontamente disponíveis, o mundo já pode reduzir as emissões expandindo o uso das tecnologias existentes.

“Precisamos que a geração de eletricidade seja amplamente descarbonizada até 2035”, diz Nick Eyre, professor de energia e política climática da Universidade de Oxford, por e-mail. “A fusão não pode entregar nada nessas escalas de tempo.”

Aproveitar a fusão nuclear está entre as coisas mais difíceis que a humanidade já tentou, e a indefinição da tecnologia há muito tempo a tornou motivo de piada: por mais de meio século, a energia de fusão sempre esteve “a 30 anos de distância”. Mas essa piada amarga pode finalmente acabar.

O Iter não é o único motivo: em laboratórios ao redor do mundo, os pesquisadores têm superado os muitos desafios técnicos no caminho para um reator de fusão viável. Enquanto isso, de acordo com a Fusion Industry Association, os investidores despejaram mais de US$ 1,8 bilhão em empresas privadas de fusão que estão tentando fazer a indescritível fonte de energia funcionar.

A “piada tinha sua verdade”, diz Josefine Proll, teórica da fusão da Universidade de Tecnologia de Eindhoven, na Holanda, mas “não mais''. Acho que estamos num bom caminho.”

Ainda não há garantias de que a meta de energia de fusão confiável será alcançada – mas os pesquisadores estão acostumados a isso. Bigot, que se tornou diretor-geral do Iter em 2015 e morreu em maio, aos 72 anos, sempre teve os olhos no horizonte. Químico de formação, ele viu o Iter como os arquitetos medievais viam suas catedrais: um projeto para a eternidade, onde aqueles que lançam as bases podem não viver para ver as torres.

“Acho – com toda a honestidade e humildade – que embarcamos em tal desafio”, disse ele em uma entrevista em março à National Geographic. “O benefício para a humanidade pode ser tão grande que realmente vale a pena tentar.”

A diferença entre fusão e fissão

Uma usina de fusão seria fundamentalmente diferente das usinas nucleares de hoje. Elas dependem da fissão nuclear, que libera energia quando átomos grandes e pesados ​​– como o urânio – se separam devido ao decaimento radioativo.

Em um reator de fusão, ao contrário, átomos pequenos e leves, como o hidrogênio, se fundem em átomos maiores, liberando uma pequena parte de sua massa como energia de acordo com a icônica equação de Einstein: E = mc2. Ele revelou que uma enorme quantidade de energia está ligada até mesmo em pequenas quantidades de matéria.

O Iter é o mais recente de uma longa linha de experimentos de fusão. Nas pranchetas há décadas, está em construção desde 2013, em Saint-Paul-lez-Durance, uma hora ao norte de Marselha, na França.

Foto de Paolo Verzone National Geographic

No caso do Iter, o reator começará com um combustível de deutério e trítio, duas formas mais pesadas de hidrogênio. Em altas temperaturas, pares de núcleos desses átomos se chocarão com força suficiente para se fundir. Cada evento de fusão criará um núcleo de hélio-4, bem como um nêutron de alta energia. Muitos desses nêutrons bombardeiam as paredes do reator, gerando calor que um dia poderá ser usado para ferver água, produzir vapor e girar turbinas para gerar energia elétrica.

Para evitar que esse plasma quente esfrie, ele será suspenso no centro de uma câmara de vácuo em forma de rosquinha por uma série de eletroímãs poderosos. Para suspender o plasma, cada uma das bobinas do Iter deve ser resfriada com hélio líquido, a -233ºC.

Dez vezes mais quente que o Sol

Os núcleos atômicos são carregados positivamente, então eles se repelem ferozmente. Nos núcleos das estrelas, uma pressão imensa as aperta o suficiente para se fundirem, mas essas pressões não são alcançáveis ​​na Terra. Os cientistas aqui devem compensar a pressão mais baixa com calor extremo: o plasma do Iter precisará atingir temperaturas de 132 milhões de graus Celsius, dez vezes mais quente que o núcleo do nosso Sol.

Alcançar essas condições – e muito menos mantê-las – tem sido uma busca de décadas. Durante anos, experimentos de fusão estabeleceram recordes únicos para temperaturas de plasma, densidades de plasma ou durações de confinamento, mas não tudo de uma vez.

"No passado, tivemos belos resultados ... [mas] os resultados que tivemos em laboratórios individuais foram, de certa forma, separados", diz Ambrogio Fasoli, presidente da colaboração EUROFusion, da Europa, e diretor do Centro Suíço de Plasma em Lausana.

Até hoje, nenhum tokamak – o estilo de reator em forma de rosquinha do Iter – alcançou todas as condições certas para atingir o equilíbrio científico, onde a energia é igual à energia necessária para aquecer o plasma e a proporção dos dois, conhecida como Q, é igual a 1. O melhor já feito com um tokamak foi um valor Q de 0,67, brevemente, em 1997.

E o ponto de equilíbrio científico é apenas um passo. O ponto de equilíbrio no qual o reator libera mais energia por meio da fusão do que extrai da rede – o objetivo final – é muito mais desafiador, em parte porque os reatores de fusão exigem grandes quantidades de energia para se manterem funcionando, mesmo além a energia necessária para aquecer o plasma. 

No entanto, o ponto de equilíbrio científico se consolidou como um símbolo potente do progresso da fusão – ou, como Fasoli coloca, “um passo psicológico” a ser superado.

Meio século em construção

O Iter foi projetado para ultrapassar o ponto de equilíbrio científico e atingir valores Q de pelo menos 10. Nessas energias, o plasma começará a “queimar” ou produzirá muito do calor necessário para manter a fusão.

À esquerda: No alto:

A construção do Iter é um trabalho global. A Europa está contribuindo com quase metade dos custos de sua construção, enquanto os outros seis membros do empreendimento internacional – China, Índia, Japão, Coreia do Sul, Rússia e Estados Unidos – estão contribuindo igualmente para o resto. Este painel é uma das nove seções de compartimentos a vácuo do Iter, recentemente enviado de navio da Coreia do Sul para a França.

À direita: Acima:

A coordenadora de construção Lola Zedet está em frente a um dos nove setores de compartimentos a vácuo que acabaram de chegar da Coreia do Sul.

fotografias de Paolo Verzone National Geographic

Desde a década de 1950, os pesquisadores construíram uma série de reatores de fusão experimental maiores e mais poderosos, muitos baseados no tokamak, que foi originalmente desenvolvido pela União Soviética. Uma reunião em 1985 entre Ronald Reagan e Mikhail Gorbachev abriu a porta diplomática, e os EUA e a URSS concordaram em colaborar na construção de um tokamak grande o suficiente para alcançar o equilíbrio científico. 

No final da década de 1980, o Japão e a Euratom, a organização de pesquisa nuclear da Europa, também assinaram o acordo, e cientistas e engenheiros começaram a elaborar projetos para o Iter – um acrônimo, mas que também significa “o caminho” em latim.

Como muitos grandes projetos de engenharia, o Iter lidou com anos de atrasos, custos crescentes e, às vezes, má gestão, de acordo com uma avaliação condenatória de 2013. Desde a chegada de Bigot, em 2015, porém, o Iter entrou no caminho certo. 

Agora está mais de três quartos completo. Em abril, a Coreia do Sul entregou, de navio, uma parte de 485 toneladas de um compartimento a vácuo do Iter; a instalação de seu eletroímã solenóide central de 18 metros de altura, dos EUA, começará no final do próximo ano.

Testes críticos em reatores menores validaram as principais escolhas de projeto do Iter. Em 2021, o Joint European Torus (JET), em Culham, Inglaterra, estabeleceu um recorde de um único funcionamento para a energia total liberada pelo plasma de um reator de fusão: 59 megajoules em um teste de cinco segundos. Isso é menos energia do que o consumidor médio de eletricidade residencial dos EUA gasta em um minuto – mas o JET trabalhou usando o mesmo combustível deutério-trítio que alimentará o Iter e os mesmos materiais para o revestimento interno do vaso do reator. Espera-se que o Iter gere milhares de vezes mais energia por funcionamento do que o JET.

“O Iter, no início… era algo que não era, você sabe, algo para se orgulhar totalmente, porque estava começando muito, muito devagar … [e] o lado da construção estava ocioso por algum tempo no início”, explica Fasoli. “Agora está quase completo, e você pode visualizá-lo. É uma das coisas mais incríveis que a humanidade está fazendo – um dos projetos mais ambiciosos que já empreendemos.”

Dentro da sala de montagem do Iter, dois setores de compartimento a vácuo, mais escudos térmicos e ímãs de campo toroidais gigantes foram montados nos dois guindastes de submontagem.

Foto de Paolo Verzone National Geographic

Diferentes iniciativas rumo à fusão

Se o Iter funcionar sem problemas, a humanidade ainda precisará de uma próxima geração de reatores de demonstração para alcançar a terra prometida de uma usina viável, que Fasoli estima que precisaria atingir valores de Q de pelo menos 30. Mas o Iter não é a única iniciativa deste tipo: laboratórios de pesquisa com financiamento público e empresas privadas em todo o mundo estão experimentando técnicas diferentes, às vezes em velocidades muito mais rápidas do que o Iter. “Com essas startups, acho que muito mais é possível”, acredita Proll, o teórico de Eindhoven.

A Commonwealth Fusion Systems, um spin-off do MIT, em Cambridge, Massachusetts, está projetando um tokamak com ímãs feitos de materiais mais novos do que os do Iter. Esses ímãs mais poderosos devem ser capazes de atingir valores de Q semelhantes ao Iter com um reator menor. No ano passado, a empresa anunciou que havia testado com sucesso seu design de ímã, e um reator experimental apelidado de Sparc está programado para entrar em operação em 2025.

Outras equipes estão refinando projetos de reatores totalmente diferentes. No National Ignition Facility (NIF), em Livermore, Califórnia, conjuntos de poderosos feixes de laser convergindo em um minúsculo pellet aquecem e comprimem o hidrogênio dentro de tal grau que ocorre a fusão. Em 2014, os pesquisadores do NIF alegaram ter alcançado uma versão do ponto de equilíbrio com essa técnica, chamada de confinamento inercial. 

No entanto, outros pesquisadores notaram que a definição de "ponto de equilíbrio" do estudo de 2014 era muito estreita. De qualquer forma, para ser uma fonte de energia viável, o estilo de reator da NIF teria que exceder os valores de Q de pelo menos 100 – e ainda está longe disto.

Algumas empresas estão explorando diferentes combustíveis e designs. A TAE Technologies, com sede na Califórnia, que está no mercado desde 1998, está construindo um reator nuclear projetado para fundir hidrogênio com boro-11, colidindo “anéis de fumaça” de plasma dentro de uma câmara longa em forma de charuto. 

Essa configuração precisaria atingir temperaturas ainda mais altas do que as dos tokamaks. Mas se as versões ampliadas funcionarem, elas poderão gerar eletricidade sem a fuzilaria de nêutrons que atingirá as paredes do Iter.

Aproveitar a energia desses nêutrons para produzir eletricidade, como o Iter e a maioria dos tipos de reatores de fusão pretendem fazer, é um desafio. Mesmo os materiais mais resistentes ao calor usados ​​para revestir vasos de reatores, como titânio e berílio, se tornarão radioativos e ficarão cada vez mais fracos e quebradiços sob o incessante golpe dos nêutrons. No JET, o reator é mantido com um par de robôs operados remotamente que, entre outras coisas, substituem as telhas internas do reator.

Décadas pela frente

Se a fusão se tornar uma fonte de energia economicamente viável, precisaremos de um plano de como usá-la. Em praticamente qualquer cenário de redução rápida de emissões, a energia eólica e solar precisaria gerar a maior parte da energia dos EUA até 2050

Mas algumas partes da economia serão difíceis de descarbonizar, como a indústria siderúrgica, que requer grandes quantidades de calor constante. Se a fusão funcionasse, poderia ajudar a fornecer grandes quantidades de energia confiável para a indústria pesada e também ajudar a suavizar qualquer variabilidade na energia eólica e solar, destaca Sally Benson, estrategista-chefe da Casa Branca para a transição energética.

Benson acrescenta que, para atender às metas climáticas dos EUA, muitos processos que agora funcionam com combustíveis fósseis devem ser eletrificados – o que deve fazer com que a demanda de energia do país dobre de 2035 a 2050. A fusão pode não estar pronta a tempo de atender a esse aumento de demanda, mas poderia ajudar na segunda metade do século.

“As energias renováveis ​​são ótimas. Elas são baratas, estão em todos os lugares, [e] você pode obtê-las em todos os lugares. Mas a maioria dos estudos agora sugere que para fornecer esse tipo de energia 24 horas por dia, sete dias por semana, é necessário algum tipo de recurso despachável”, diz Benson, referindo-se à geração de energia que pode ser ligada e desligada à vontade, ao contrário da energia solar e do vento. 

Carvão, gás e energia nuclear fornecem essa energia básica agora. A energia hidrelétrica e a geotérmica poderiam no futuro, mas não estão disponíveis em todas as regiões – uma limitação que a fusão teoricamente não teria.

“Acho que realmente justifica tentar diversificar o conjunto de opções para incluir uma tecnologia como a fusão”, acrescenta Benson. “Se funcionasse, seria fabuloso.” Em uma cúpula de abril, a Casa Branca anunciou que estava lançando uma iniciativa de fusão do Departamento de Energia e lançando US$ 50 milhões em oportunidades de financiamento para futuras pesquisas sobre fusão.

É loucura apostar na fusão, com um retorno incerto? Como Bigot, do Iter, Benson tem os olhos no horizonte.

“Estamos nisso a longo prazo, certo? Você sabe, não é como se estivéssemos em 2030 ou 35, ou mesmo 2050 e terminamos.” O objetivo, diz ela, é ter “todo um novo conjunto de opções que realmente nos prepararão para o [resto do] século 21”.

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