Salve Mamutinhes! Aqui é a Rebeca e hoje vamos falar sobre os resultados mais recentes relacionados à obtenção de energia através da fusão nuclear e, também, por que odiamos matérias com títulos completamente sensacionalistas e errados sobre física! Brincadeira, a matéria me lembrou que discutimos pouco sobre fusão nuclear fora do contexto de astronomia, e neste episódio vamos passear por alguns detalhes sobre o tema!

Os primórdios da fusão nuclear

O físico britânico Francis William Aston, em 1920, descobriu que a equivalência em massa de 4 átomos de hidrogênio era maior do que a massa de um único átomo de Hélio, ou seja, tinha um fator energético faltando para balancear essa conta! Essa descoberta deu as primeiras dicas de como funciona o mecanismo de fusão de átomos e de como ele poderia ser usado para a geração de energia. Na década de 1930, os físicos Arthur Stanley Eddington e Hans Bethe descobriram que a fusão nuclear era algo possível e que era a fonte de energia produzida no nosso Sol. No início dos 1940, começamos a considerar que a fusão poderia ser uma possibilidade de produção de energia em reatores aqui também… mas logo no começo já foi visto que a tarefa seria extremamente difícil. Era necessário atingir temperaturas muito altas, que não poderiam ser mantidas em nenhum recipiente! Então, tentou-se, inicialmente, o confinamento usando campos magnéticos, dando a largada para a pesquisa experimental e teórica do assunto! 

Se você não fugiu da escola e lembra o que estava acontecendo em meados dos 1940, já imaginou que tudo que tinha a ver com “nuclear” seria de extrema importância e sigilo. Obviamente, toda a pesquisa feita durante os anos antes e depois da Segunda Guerra era confidencial. Felizmente, na década seguinte es cientistas se convenceram que a fusão nuclear não tinha fins bélicos, já que a fusão era muito mais difícil de se manter do que a fissão nuclear. Qualquer coisa que perturbasse o plasma já acabaria com o experimento, ou seja, algo que ficou bem mais na área acadêmica do que nos noticiários sensacionalistas (até agora, ao menos). Na década de 1960, após a descoberta do laser, cientistas tanto da União Soviética e dos EUA começaram a investir em outra forma de reator, o confinamento inercial, em que a energia de lasers seria usada para esquentar o combustível. A informação sobre o assunto não foi mais considerada confidencial, no contexto da Guerra Fria.

A partir dos anos 70, os EUA investiram nos tokamaks, reatores inventados pela União Soviética. Tokamak é um acrônimo para тороидальная камера с магнитными катушками, que significa câmara toroidal com bobinas magnéticas. A maioria dos reatores de fusão nuclear são Tokamaks. Temos 3 tokamaks no Brasil (IFUSP, UFES e INPE). Nos anos 90, surgiu o ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), uma cooperação internacional envolvendo a República Popular da China, União Europeia, Índia, Japão, Coreia do Sul, Rússia e Estados Unidos da América, sob o patrocínio da Agência Internacional de Energia Atômica (IAEA) para geração de energia. Já o laboratório de que vamos falar principalmente neste episódio é o NIF, (The National Ignition Facility, NIF), construído em 1997. Trata-se de um reator de confinamento inercial com lasers, localizado no LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory) na Califórnia, que entrou em operação em 2009. No final de 2022, esse laboratório chegou num marco para a área da fusão e é sobre isso que vamos discutir nesse episódio!

As cadeias próton-próton são mais importantes em estrelas do tamanho do Sol ou menores.

• ¹H + ¹H → ²H + e+ + νe (τ~ 7·109 anos) (τ é o chamado tempo limitante)

Chamamos o ²H de deutério, um isótopo bem conhecido do H. Os neutrinos liberados nessa reação têm energias acima dos 0,42 MeV. Se você ouviu o Mamucast S03E03 - Neutrinos quebrando um Gálio!, sabe que os neutrinos interagem apenas através da interação fraca, que não tem esse nome à toa. Assim, esse primeiro passo, por depender da interação fraca para converter um próton em um nêutron, tem baixa probabilidade de ocorrer e, consequentemente, corresponde a um grande tempo limitante. É por isso que essa é a chamada reação limitante, já que é ela  que dita o ritmo de toda a cadeia próton-próton.

• e+ + e- → 2γ + 1,02 MeV

A seguir, o pósitron resultante dessa primeira reação se aniquila quase que imediatamente com um elétron. Com isso, a massa de ambos se converte em energia que é liberada através de dois raios gama. Após essa etapa, o deutério produzido no primeiro passo pode se fusionar com outro hidrogênio para produzir um isótopo leve de hélio, o ³He:

• ²H + ¹H → ³He + γ + 5,49 MeV (τ~ 1,4 segundos)

A partir desse ponto a reação se subdivide em quatro ramos diferentes que desembocam todas na geração de um núcleo 4He.

1. ³He +³He → 4He + ¹H + ¹H + 12,86 MeV  (τ ~ 2,4·105 anos) (temperatura de 10 a 14 MK)

2. ³He + 4He → 7Be + γ 

7  Be + e- → 7Li + νe

7Li + ¹H → 4He + 4He (temperaturas de 14 a 23 MK)

3. ³He + 4He → 7Be + γ
   7Be + ¹H → 8B + γ
   8B → 8Be + e+ + νe
   8Be ↔ 4He + 4He (temperaturas acima de 23 MK)

4. ³He + ¹H → 4He + νe + e+

No Sol, a cadeia 1 ocorre com uma frequência de 91%, a 2 com 9% e a 3 com 0,1% de ocorrência. Já a reação 4 é a que menos acontece, tem uma frequência de 0,3 partes por milhão no Sol. A energia que temos na cadeia inteira é de 26,73 MeV.

Na natureza, o Sol chega no estágio de ignição em temperaturas em torno de 15 milhões K. Mas, as estrelas são grandes o suficiente para que os produtos da fusão interajam primeiro com o plasma da superfície do que o ambiente fora da estrela. Assim, a temperatura é mantida e a fusão continua ocorrendo.

OBS. Estrelas maiores que o nosso Sol fazem outras cadeias, como o ciclo CNO (carbono-nitrogênio-oxigênio).

Fusão x Fissão!

O interessante é que essas reações nucleares liberam muito mais energia do que reações químicas, pois a energia que une os nucleons dentro do átomo é muito maior do que a energia das ligações entre átomos. Para quem estuda física, já sabe meio “de cor” que a energia de ionização do hidrogênio é 13,6 eV. Mas ao juntar um deutério D (²H) e um trítio T (outro isótopo, ainda mais raro, do hidrogênio, com massa 3, ³H), temos uma reação que libera 17,6 MeV, ou seja, 10 elevado a 6 de diferença! Pra você ter uma ideia, a energia média liberada da fissão de um átomo de urânio 235 por um nêutron é da ordem de 2 MeV. 

As densidades de energia liberada na fissão e fusão são diferentes, mas é pra vocês terem ideia de ordem de grandeza. Então, já deu pra imaginar que dominar essas reações têm um caráter muito importante do ponto de vista energético e até bélico! 

E como usar a fusão como geração de energia?

‘Tá, mas por que não estamos fazendo isso direto então? A geração de energia via fusão nuclear empregaria uma usina parecida com a usada na fissão nuclear, ou seja, o calor liberado nas reações seria convertido em eletricidade. Para isso, precisamos construir um reator de fusão nuclear. Esse tipo de pesquisa vem sendo feita desde os anos 40, mas só muito recentemente temos resultados animadores (recentemente digo nos últimos 10 anos, pesquisa científica de qualidade DEMORA).

A fusão nuclear exige um combustível específico e um ambiente confinado com altíssima pressão e temperatura para que ocorra a formação do plasma que vai “facilitar” a condição para a fusão dos átomos. O plasma é um gás altamente ionizado, quase neutro em carga e fora do equilíbrio térmico. Num acelerador de íons pesados, como o  GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research, o laboratório responsável por sintetizar o elemento 110 (Darmstadtium), a fusão ocorre no choque dos átomos. A diferença das velocidades relativas aumenta a probabilidade da reação ocorrer. Contudo, para usar a energia gerada na fusão, temos que pensar ainda em outra configuração de reator. Os reatores de pesquisa são:

• Confinamento magnético (ITER, tokamak, dinomak, stellarator): procura estender o tempo que os íons passam juntos para que a fusão seja facilitada.

• Confinamento inercial (Inertial confinement fusion, ICF, NIF): procura fundir o núcleos tão rápido, que eles não têm tempo de se separar.

• Confinamento gravitacional: é a forma como as estrelas contêm o plasma. No nosso sol, os núcleos de hidrogênio, na forma de gás, são comprimidos pela gravidade, atingindo   temperaturas de milhões de K. 

O NIF usa o design de Fusão em Confinamento Inercial, isto é, um conjunto de lasers de altíssima potência são usados para o aumento da temperatura. Eles atingem uma câmara parada, chamada Hohlraum (do alemão, câmara vazia). É exatamente essa câmara que garante que a energia dos lasers seja convertida em raios X de forma a chegarem no combustível, encapsulado numa esfera de milímetros de raio, da maneira mais simétrica possível (figura 3). Esse método é chamado de indireto. Ele surge a partir da dificuldade de alinhar os lasers de forma a atingirem o alvo minúsculo de maneira uniforme de modo que a cápsula se mantenha coesa e esférica, para que o plasma se forme, ocorra a fusão e, eventualmente, a ignição (figura 4). O processo ICF indireto tem várias questões, sendo a maior vantagem a facilitação do aumento grande de pressão dentro da cápsula, gerando a implosão do combustível.

Figura 3: Esquerda: A cápsula de combustível (milimétrica), pode ser feita de vários materiais diferentes, o que importa é ser leve e que absorva os raios X gerados (pode ser de um plástico de baixa densidade, por exemplo). O combustível (mistura de D + T)  é colocado na forma gasosa dentro da cápsula e depois congelado a 18 K (-255 ºC). Direita: um modelo do Hohlraum, feito de um metal pesado, absorvendo o laser e gerando raios X de alta energia que atinjam o alvo de maneira uniforme e simétrica. A vantagem do uso dessa câmara é que não exige tanta simetria e precisão no alinhamento dos lasers. Claro que esse método tem a desvantagem de necessitar de mais energia do feixe para a geração dos raios X.

Abaixo: Sistema de 192 lasers do NIF.

O NIF, para chegar à temperatura de milhões de Kelvins, depende de um sistema de 192 linhas de laser que, por sua vez, necessitam de 1,8 MJ de energia. Enquanto um laser pointer que usamos em apresentações tem em torno de 0,2 W de potência, para a fusão precisamos lasers de PW (petta = 10 elevado a 15 ou 1000 TW), com focalização controlada e tempo de disparo muito preciso. Para vocês terem uma comparação, a energia liberada pelo Sol é da ordem de 1 YW (yotta = 10 elevado a 24). O aproveitamento da energia dos lasers é da ordem de 50% na geração dos raios X e 10 a 20% na formação do plasma (figura 4).  

Figura 5: O processo ICF - 1. Feixes de laser atingem o alvo (ou produzem raios X) para aquecer a superfície do alvo (congelado a 18 K, -255 ºC), criando um envelope de plasma. 2. O combustível dentro do alvo é comprimido pelo plasma (a câmara Hohlraum tem um papel importante nesse estágio, garantindo a simetria do processo). 3. Na implosão do combustível, a densidade da esfera atinge em torno de 20 a 100 vezes a densidade do chumbo, chegando a ignição com 100,000,000 ˚C. 4. O “fogo” termonuclear se espalha rapidamente no combustível, gerando mais energia do que a entrada (ignição).

Naturalmente, existem outras maneiras de fazer um reator de fusão nuclear, com uso de outros combustíveis (D + D -> T, é a reação de menor energia). O importante é seguir o critério de Lawson, ou seja, que a energia gerada pelo reator de fusão nuclear deve ser maior que as perdas, tanto de outros processos radioativos quanto ao ambiente. Esse era o maior desafio desde os anos 2000: gerar uma fagulha que mantivesse a reação nuclear sustentada, ou seja, gerando mais reações subsequentes de fusão, para obter mais energia, que poderia, por exemplo, ser transformada em energia elétrica. Lembrando que, uma vez que a fagulha tenha sido feita, a reação ocorrerá por um tempo, que é determinado pela vida média dos produtos e reagentes, ou seja, não teremos energia infinita, pois nenhum processo nos daria isso! Não tem almoço grátis.

A tal da ignição!

Na natureza, estrelas como o Sol chegam no estágio de ignição em temperaturas em torno de 15 milhões K. Mas, as estrelas são grandes o suficiente para que os produtos da fusão interajam primeiro com o plasma da superfície do que com o ambiente fora da estrela. Os reatores feitos por cientistas são muito menores e menos densos, então o combustível escapa facilmente, perdendo calor para o ambiente. Além de chegar nas temperaturas necessárias para que a fusão seja possível (~100 milhões K), a ignição da fusão ocorre apenas quando a reação se torna auto-sustentada, ou seja, a energia liberada na fusão é maior que todos os mecanismos de dissipação de energia. Quando isso ocorre, não é necessário dar mais energia ao sistema para manter a temperatura para que a fusão continue a ocorrer.

Na campanha de 2017 (figura 6), o NIF fez mudanças em diversos componentes do reator, aumentaram o Hohlraum e a cápsula do alvo em 20%, aumentaram também a energia dos lasers e consequentemente dos raios X gerados. Para aumentar a pressão, estenderam a duração dos pulsos e mudaram o material da cápsula, o que antes era plástico foi trocado para um diamante denso, para ajudar a comprimir o combustível mais efetivamente.

Em 2021 o NIF publicou na Nature o seu feito de atingir o estágio mais próximo de ignição do plasma dentro do reator (figura 7). É como se o NIF tivesse gerado um Sol milimétrico por um curto período de tempo (cerca de quase 1 ps = 10-12 s)! A cápsula com o combustível foi aumentada de experimentos anteriores (de diamante de espessura de 80 μm), aumentaram a eficiência da energia gerada pelos lasers e controlaram a simetria da implosão. Um dos experimentos chegou a ter uma saída de energia superior, chegando a uma eficiência de ~1,3 MJ.

Breakeven ou “pau a pau”

Em dezembro de 2022, o NIF conseguiu produzir 3,15 MJ de energia com uma entrada de 2,05 MJ, obtendo um ganho de energia de 1,5. Essa foi a maior conquista da área até agora, chegamos no breakeven, ou seja, obtivemos um ganho de energia. Com uma cápsula mais uniforme e espessa, o aumento de energia dos lasers (de 1,9 para 2,05 MJ) e a redistribuição dessa energia, a ignição foi obtida em 13/12/22, reportada pela Secretária de Energia dos EUA, Jennifer Granholm (Figura 8)! 

Contudo, os resultados ainda não terem sido publicados e revisados por pares. E na minha humilde opinião, depois de ler sobre a história da energia de fusão nuclear, me parece que o NIF queria lançar esse marco antes de dois outros laboratórios, o JET no Reino Unido e o reator chinês HL-2M que estavam próximos de obter resultados parecidos.

PS. E não precisa se preocupar com as explosões, o NIF foi construído para aguentar implosões com ganho de até 45 MJ, podendo ser aumentado em até 100 MJ. 

O futuro parece promissor?

Antes que você possa sair correndo para publicar uma notícia sobre energia limpa e infinita, saiba que o NIF não foi construído para ser ligado à rede de energia da casa de um estadunidense médio. O NIF é um laboratório de pesquisa e foi construído para esse fim! O diretor anterior do NIF, Michael Campbell disse que “o instituto não foi construído com o objetivo final de geração de energia elétrica comercial e sim como um centro de pesquisa de ponta”. Claro que esses resultados são muito importantes para exatamente dar credibilidade a esse processo, para no futuro ser pensado como uma alternativa para a nossa matriz energética.

O custo de investimento, desenvolvimento, construção, instalação e comissionamento do NIF foi da ordem de 3,5 bilhões de dólares em mais de 20 anos de pesquisa. O consumo de energia da rede de ~477 MJ para produzir 3,15 MJ tem uma perda de mais de 99%. A potência utilizada no NIF em apenas um segundo é 1000 maior do que qualquer laboratório dos EUA inteiro. Comparando potências da nossa realidade, também é cerca de 1000 vezes maior do que São Paulo, que tem capacidade instalada de aproximadamente 23 GW, o que corresponde a 15% da geração do Brasil.

Para cada unidade de energia produzida na fusão, o NIF usa 130 unidades de energia da rede. Em termos de potência elétrica doméstica, 3,15 MJ não aguentaria manter uma lâmpada de 40 W por um dia. Além disso, o NIF só liga seus lasers uma vez ao dia, quando há experimentos agendados, e a preparação dos materiais para que a fusão ocorra também leva tempo… Deutério não é difícil de se obter, já o trítio, custa cerca de 1 milhão de dólares/28 g (cotação de 2020) e, para uma operação comercial do NIF, seriam necessários cerca de 1 kg de trítio por dia! A estimativa é que existe, na Terra, cerca de 25 kg de trítio… Entendeu por que os chineses estão minerando a Lua? Alguns minérios lá tem trítio!

Os resultados são muito importantes para a ciência de uma maneira geral, mas só foram obtidos depois de muita pesquisa, desenvolvimento e investimento. Ainda estamos longe da energia limpa vinda da fusão, mas ela é um futuro muito interessante!

Fontes:

• www.lppfusion.com/technology/brief-history-of-fusion-power/ 

• Nuclear-fusion lab achieves ‘ignition’: what does it mean? (https://www.nature.com/articles/d41586-022-04440-7 )

• There is no “breakthrough”: NIF fusion power still consumes 130 times more energy than it creates (https://bigthink.com/the-future/fusion-power-nif-hype-lose-energy/ )

• DOE National Laboratory Makes History by Achieving Fusion Ignition | Department of Energy (https://www.energy.gov/articles/doe-national-laboratory-makes-history-achieving-fusion-ignition ) 

• National Ignition Facility experiment puts researchers at threshold of fusion ignition | Lawrence Livermore National Laboratory 

(https://www.llnl.gov/news/national-ignition-facility-experiment-puts-researchers-threshold-fusion-ignition)

• Physicists Achieve Key Milestone in Nuclear Fusion Energy | Sci.News (https://www.sci.news/physics/nuclear-fusion-energy-breakeven-11474.html)

• National Ignition Facility surpasses long-awaited fusion milestone (https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.2.20221213a/full /)

• Hohlraum (https://www.globalsecurity.org/wmd/intro/hohlraum.htm )

• Burning plasma achieved in inertial fusion | Nature 

(https://www.nature.com/articles/s41586-021-04281-w )

• Laser fusion reactor approaches ‘burning plasma' milestone | Science  (https://www.science.org/content/article/laser-fusion-reactor-approaches-burning-plasma-milestone)

• M. Kikuchi, K. Lackner & M. Q. Tran (2012). Fusion Physics. International Atomic Energy Agency. p. 22. ISBN 9789201304100. https://www-pub.iaea.org/MTCD/Publications/PDF/Pub1562_web.pdf 

• NIF FAQs (https://lasers.llnl.gov/about/faqs )

• https://www.nature.com/articles/nchem.2867 

• hyperphysics (http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/NucEne/nucbin.html#c4)

• http://.phy-astr.gsu.edu/hbase/NucEne/nucbin.html#c4 

• A energia elétrica no Estado de São Paulo

(https://www.infraestruturameioambiente.sp.gov.br/infraestrutura/coordenadorias/coordenadoria-de-energias-eletrica-e-renovaveis/a-energia-eletrica-no-estado/ ) 

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Mamucast! recomenda: 

• Pra aprender: 

  • Colóquio: Fusão termonuclear controlada: de princípios básicos à construção de usinas de energia, texto e vídeo do Departamento de Física Aplicada do Instituto de Física da USP.
    Link: https://portal.if.usp.br/pesquisa/pt-br/node/1993     

• Pra descontrair: 

  • Série e filme: Alice in Borderland (netflix) e filme Drive My Car (Mubi).

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Música: Gabi

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Arte/edição: Produção