Fusão nuclear: mudando as regras

Por Jonathan Tennenbaum, de Berlim

Nos últimos anos, os avanços tecnológicos e o papel crescente dos investidores privados trouxeram uma nova promessa à fusão nuclear – o esforço para reproduzir na Terra a fonte de energia do Sol e das outras estrelas.

Criada em 2018, a Associação da Indústria de Fusão (FIA, sigla em inglês) compreende 22 empresas, a maioria delas startups, que perseguem várias abordagens inovadoras para concretizar o uso comercial da fusão nuclear como fonte de energia.

Em um artigo publicado em 6 de outubro de 2020, o diretor-executivo da FIA, Andrew Holland, observou: “Até agora, os empreendedores de fusão e seus investidores investiram mais de 1,5 bilhão de dólares em startups privadas de energia de fusão.”

Em uma série anterior de artigos, escrevi sobre uma dessas empresas, a LPP Fusion (ver Alerta Científico e Ambiental, 17/11/2020, 24/12/2020, 14/01/2021 e 21/01/2021). A LPP Fusion está desenvolvendo o Dense Plasma Focus, que gera reações de fusão em um regime pulsado de descargas elétricas intensas e autocentradas.

Este artigo é dedicado a uma abordagem diferente, da Commonwealth Fusion Systems (CFS), membro da FIA.

A CFS foi criada em 2018 por um grupo de pesquisadores e estudantes do Centro de Ciência e Fusão de Plasma do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), desde há muito, um ponto focal da pesquisa de fusão nos Estados Unidos.

A CFS pretende ter sucesso na comercialização da energia de fusão, por meio do que chama “Caminho de Campo Alto para a Energia de Fusão Prática” (High-Field Path to Practical Fusion Energy). A CFS financiará o trabalho de pesquisa e desenvolvimento relevante no MIT.

Até agora, a empresa levantou mais de 200 milhões de dólares em capital privado, incluindo uma grande parte proveniente da gigante energética italiana ENI.

A abordagem da CFS é baseada em um dispositivo conhecido como tokamak compacto de alto campo, que utiliza campos magnéticos superpotentes para conter e estabilizar o processo de fusão em uma câmara em formato de rosquinha.

Dispositivos experimentais desse tipo já foram construídos. Os três mais importantes são os Alcator A, B e C-mod do MIT.

Com base nessa experiência, a vantagem inovadora da CFS reside em sua estratégia de utilizar, pela primeira vez em um reator experimental de fusão sistemas magnéticos baseados em revolucionários materiais supercondutores de alta temperatura conhecidos como óxidos de cobre e bário de terras raras (ReBCOs).

Entre outras coisas, esta tecnologia viabilizará intensidades de campo magnético duas ou mais vezes maiores do que aquelas usadas até agora em experimentos de fusão comparáveis.

As propriedades superiores dos sistemas magnéticos baseados em ReBCOs abrem as portas para uma série de outras inovações, que a CFS pretende introduzir no projeto de um reator experimental denominado SPARC e um projeto subsequente chamado ARC (SPARC é a sigla em inglês para “mais breve, menor, financiado com recursos privados, acessível, robusto e compacto”).

A construção do SPARC deve começar ainda em 2021. Os dirigentes da CFS estão confiantes em que o protótipo conseguirá, até meados da década, a primeira demonstração mundial do chamado “ponto de equilíbrio científico” (scientific breakeven).

Isto significa uma liberação de energia pelas reações de fusão maior que inserida no combustível pelos sistemas de aquecimento externos necessários para atingir e manter as temperaturas de 100 milhões de graus centígrados exigidas.

Neste item, o SPARC ultrapassaria o ITER (Reator Termonuclear Experimental Internacional), o gigantesco reator de fusão nuclear em construção na França, cujos primeiros experimentos com combustível de fusão deutério-trítio não deverão começar antes de 2035.

Entretanto, é importante observar que alcançar o “ponto de equilíbrio científico”, de forma alguma, implica que o sistema do reator como um todo produza mais energia do que consome.

Em primeiro lugar, o reator gasta muito mais energia do que a que é finalmente entregue ao combustível na forma de aquecimento. Uma grande quantidade de energia é perdida, devido à baixa eficiência dos métodos de aquecimento atuais. Além disto, o reator possui muitos outros sistemas que consomem energia. Ademais, uma grande parte da energia das reações de fusão se perde no processo de conversão em eletricidade por meio de sistemas de resfriamento, trocadores de calor e turbinas.

Obter a geração líquida de energia será tarefa do ARC, a continuação do SPARC. De acordo com os planos da CFS, o ARC será um protótipo de usina de fusão efetiva com uma potência elétrica líquida de 200-250 MW.

Isto soa bastante otimista. Mas, ao longo do caminho, a parceria CFS-MIT já obteve um avanço na área da tecnologia de supercondutores de alta temperatura, cuja importância se estende muito além do domínio da fusão em si.

Um artigo recém-publicado na revista Superconductor Science and Technology descreve o projeto, a fabricação e os impressionantes resultados experimentais de um novo cabo supercondutor de alta temperatura chamado VIPER. Em um artigo posterior, darei mais detalhes sobre as tecnologias SPARC, ARC e VIPER. Aqui estão alguns fundamentos.

A estratégia tokamak

O SPARC é uma variante avançada do tokamak, um dispositivo em forma de rosquinha originalmente inventado por cientistas soviéticos, no final da década de 1950. Em contraste com os sistemas pulsados, como o foco de plasma ou fusão a laser, os reatores tokamak são projetados para operar em um regime estável e sustentado.

Expressa nos termos mais simples possíveis, a estratégia tokamak é a seguinte: as reações de fusão nuclear do tipo em consideração ocorrem em quantidades úteis apenas em temperaturas de 100 milhões de graus centígrados e superiores. A reação de fusão “mais fácil” envolve os isótopos de hidrogênio deutério (D) e trítio (T). Outras reações, como D-D ou hidrogênio-boro (H-B), requerem temperaturas muito mais altas. Praticamente, todos os tokamaks destinados à geração de energia utilizam as reações D-T.

Em temperaturas de milhões de graus, a mistura de combustível se transforma em um plasma quente, um meio no qual elétrons e núcleos não estão mais ligados uns aos outros, mas se movem independentemente, interagindo por meio de forças elétricas e magnéticas.

Os tokamaks usam campos magnéticos para confinar e comprimir o plasma quente em uma região central dentro da câmara de combustão do reator, suspensa longe das paredes da câmara.

O princípio básico é que as partículas carregadas, quando colocadas em um campo magnético, experimentam forças que as obrigam a espiralar em torno das linhas do campo magnético. Quanto mais forte for o campo, menor será o raio de movimento das partículas, que ficam cada vez mais presas nas linhas do campo.

Obviamente, o campo magnético deve ser forte o suficiente para neutralizar a tendência natural de expansão do plasma de um milhão de graus.

A primeira tentativa de uma garrafa magnética seria uma configuração cilíndrica com o campo magnético paralelo ao eixo. Este campo pode ser gerado por bobinas enroladas ao redor do lado externo do cilindro.

O problema mais óbvio com essa configuração é que o plasma ainda está livre para se mover ao longo do eixo e vazar pelas extremidades do frasco. Solução: dobre o cilindro e junte as pontas para formar uma rosca (ver figura abaixo).

Diagrama esquemático de um tokamak (Fonte: LAP/INPE)

Essa configuração toroidal permite a utilização de um truque adicional: aplicando um segundo campo magnético variável, podem-se induzir correntes elétricas no plasma. Se as correntes forem fortes o suficiente, ocorre o chamado “efeito de constrição” (pinch effect), fazendo com que as correntes de partículas de plasma se contraiam e, assim, se oponham às forças de expansão. As correntes induzidas também aquecem o plasma.

Inicialmente, esperava-se que isso bastasse, juntamente com a compressão magnética, para se conseguir a pretendida ignição, na qual as temperaturas de fusão fossem mantidas pela própria reação.

Mas não foi isso que aconteceu. Hoje, os dispositivos tokamak que se destinam a atingir as condições de fusão devem fornecer aquecimento adicional sob a forma de radiação eletromagnética e/ou feixes de partículas injetados no plasma. Até agora, ninguém chegou perto da ignição.

Há muito mais coisas nessa história, mas isso bastará para meus objetivos atuais. Leitores interessados ​​podem encontrar uma boa visão geral no verbete “Tokamak” da Wikipedia.

Atualmente, existem mais de 200 tokamaks em operação em laboratórios de todo o mundo. Todavia, além dos constantes avanços no conhecimento da teoria física na qual se baseiam, a sua história tem sido marcada por decepções e contratempos que foram superados apenas gradualmente.

O maior problema é que os plasmas são muito difíceis de serem “domados”. Eles se comportam de forma completamente diferente dos gases que se podem simplesmente armazenar em uma garrafa em estado inerte. Eles também tendem a perder muita energia por radiação (o chamado Bremsstrahlung, ou radiação gerada pela desaceleração de cargas elétricas), especialmente, na presença de impurezas.

Os plasmas de fusão existem em estados muito distantes do equilíbrio. Além de serem quentes, podem conter uma grande quantidade de energia sob a forma de campos elétricos e magnéticos – a qual eles podem concentrar e liberar, de forma a escapar do confinamento e danificar o reator.

Essas são as temidas “instabilidades” e “interrupções” que atormentam os tokamaks e dispositivos semelhantes, desde o início das pesquisas de fusão.

Depois de uma luta de mais de meio século entre os cientistas de plasma e os tokamaks, creio que é justo dizer que o comportamento dos plasmas nesses dispositivos é muito bem compreendido e métodos foram desenvolvidos para se prevenir ou controlar o seu mau comportamento em várias circunstâncias. Tais capacidades são hoje aprimoradas pelos enormes avanços nas técnicas de simulação computadorizadas e, mais recentemente, com a inteligência artificial.

Nesse contexto, a obtenção de fusão nuclear usando tokamaks é mais um problema de engenharia do que de física. Mas os desafios da engenharia permanecem formidáveis. Não poucos cientistas da área acreditam que a construção de uma usina de energia de fusão comercial viável baseada em um tokamak será impossível ou, pelo menos, algo para um futuro distante.

Supercondutores em auxílio

A CFS pretende mudar essa perspectiva com uma nova estratégia que utiliza supercondutores de alta temperatura. Com ela, os ímãs ficam no centro de um tokamak e o desempenho do sistema magnético tem uma influência decisiva no projeto de todo o reator e no seu regime físico de operação.

Entre outras coisas, a análise teórica indica que a densidade de potência que um reator tokamak pode atingir – energia gerada por unidade de volume e por unidade de tempo – é aproximadamente proporcional à quarta potência da intensidade do campo magnético.

Quanto maior a densidade de potência, menor deve ser o reator para atingir uma determinada potência de saída. De um modo geral, quanto menor pudermos tornar o reator, menos custoso e mais eficiente ele será.

Uma usina de energia tokamak em funcionamento é inimaginável sem ímãs supercondutores. Mas, até recentemente, todas as opções viáveis ​​exigiam o resfriamento do material até próximo da temperatura do hélio líquido (em torno de 4 graus Kelvin, ou 269 graus centígrados negativos), o que cria grandes dificuldades para o projeto e a operação econômica do reator.

Mais importante ainda, os supercondutores convencionais são limitados, em termos de intensidades de campo máximas em que podem operar e da sua capacidade de suportar as intensas forças mecânicas produzidas por esses campos.

É aqui que os supercondutores ReBCO recentemente disponíveis criam uma nova situação. Os ímãs enrolados com o novo cabo VIPER não só funcionarão em temperaturas muito mais altas, mas também podem operar de forma confiável em intensidades de campo e tensões mecânicas muito mais altas do que nunca.

Isso permite uma redução drástica no tamanho do reator, reduz muito as demandas do sistema de resfriamento e fornece muito mais flexibilidade no projeto do reator. Os projetos SPARC e ARC pretendem tirar o máximo proveito dessa nova tecnologia revolucionária.

A estratégia da CFS funcionará? Naturalmente, não se pode garantir, mas, pessoalmente, creio que a atitude adequada foi manifestada pelo físico Eric Lerner na série de artigos acima citada, quando enfatizou a necessidade de um programa intensivo para a fusão nuclear.

Em suas palavras: “Um programa de impacto é um programa de prioridade tão alta que você não escolhe entre os métodos A, B e C, mas faz todos os A e B e C, e vê aquele que dará melhores resultados. Foi o que aconteceu, por exemplo, com o Projeto Manhattan e, em grande medida, também com o projeto Apollo, no sentido de que quando havia várias alternativas de engenharia, havia financiamento para tentar várias delas ao mesmo tempo (Alerta Científico e Ambiental, 14/01/2021).”

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