Fusão nuclear
Autor: Engenharia do Futuro | Publicado: 2011-09-20T20:29:00-07:00



Fusão nuclear: sonho da energia das estrelas continua brilhando







O homem sonha em domar a fusão nuclear desde que Hans Bethe explicou de 
onde as estrelas tiravam tanta energia.[Imagem:&nbsp;Cortesia de RSC]



Fonte definitiva de energia



Em busca de uma alternativa para a matriz energética mundial, muitos 
cientistas acreditam que só a energia das estrelas pode representar um 
passo decisivo para a humanidade.


Às voltas com a sujeira e os riscos causados pela fissão nuclear, ainda debatendo se os biocombustíveis
 valem a pena ou não, o mundo se vê às voltas com uma matriz 
essencialmente baseada no petróleo e seus parentes próximos, o carvão e o
 gás natural.


Para achar uma saída desse beco, as duas únicas tecnologias com potencial disruptivo são a fotossíntese artificial e a fusão nuclear.


Os experimentos com folhas artificiais
 estão apenas começando. Mas o homem sonha em domar a fusão nuclear 
desde que Hans Bethe explicou de onde as estrelas tiravam tanta energia.


Tentativas de produzir a fusão nuclear



A primeira tentativa de produzir a fusão nuclear na Terra não é de 
boa lembrança: em 1º de Novembro de 1952, os Estados Unidos usaram uma 
bomba similar à usada em Hiroshima apenas para dar a ignição na primeira
 bomba de hidrogênio. Funcionou, mas a coisa se mostrou tão 
perigosamente descontrolada que o projeto foi deixado de lado.


O recorde mundial de fusão nuclear hoje pertence ao reator tokamak do JET (Joint European Torus),
 no Reino Unido. Com 15 metros de diâmetro e 12 metros de altura, ele 
consumiu 20 MW para produzir 16 MW - mas a fusão nuclear se sustentou 
por menos de 10 segundos.


Hoje, todos os esforços para bater esse recorde e gerar energia são 
pacíficos - ao menos os que se conhece. E os projetos de fusão nuclear 
não são mais exclusividade dos governos e suas universidades: já há 
empresas privadas trabalhando na área.




O
 ITER usará um reator do tipo tokamak, que usa um gigantesco campo 
magnético para confinar um plasma que deverá atingir uma temperatura de 
45 milhões de graus Celsius [Imagem: ITER]


ITER



O maior desses esforços é o ITER, sigla em inglês de Reator 
Internacional Termonuclear Experimental, que começou a ser erguido em 
Cadarache, na França.


Com um investimento planejado de US$21 bilhões, o projeto pretende 
consumir 50 50 megawatts (MW) de energia para dar partida em uma 
produção de 500 MW. Em 2027, se tudo der certo.


O problema é que ninguém sabe se vai dar certo. Muitos físicos dizem 
que não vai funcionar. Outros afirmam que o ITER funcionará como um 
excelente laboratório de física, mas nunca será uma usina de geração de 
energia eficiente.

O ITER usará um reator do tipo tokamak, que usa um gigantesco campo 
magnético para confinar um plasma que deverá atingir uma temperatura de 
45 milhões de graus Celsius para dar partida na fusão de 
deutério-trício.


Se funcionar, um quilograma (kg) de combustível de fusão vai gerar tanta energia quanto 10 milhões de kg de carvão.


Outro experimento já atingiu 25 milhões de graus Celsius, ainda 
abaixo do ponto de partida da fusão. Mas os projetistas do ITER confiam 
em seu 18 gigantescos ímãs supercondutores, cada um pesando 360 
toneladas, para confinar uma quantidade de plasma suficiente para chegar
 lá.




Visão
 interna do reator Ignitor, mostrando a cavidade em formato de anel onde
 o plasma ficará confinado por campos magnéticos extremamente fortes. A 
fusão nuclear deverá ocorrer no interior desse plasma. [Imagem: Bruno 
Coppi]


Ignitor



O Ignitor é um projeto conjunto entre a Itália e a Rússia, bem menos ambicioso que o ITER.


O Ignitor será na verdade uma versão ampliada do Alcator C-Mod, desenvolvido pela equipe do professor Bruno Coppi, do MIT.


O reator, que está sendo erguido nas proximidades de Moscou, terá 
aproximadamente o dobro do tamanho do Alcator, com uma câmara principal 
em forma de anel com 1,3 metro de diâmetro - a câmara do ITER terá 6,2 
metros de diâmetro.


O Alcator não nasceu para gerar energia, mas como um laboratório para estudar as estrelas.


Ao longo dos anos, os cientistas foram aprimorando seus detalhes 
técnicos, a ponto de atingirem um estágio no qual eles acreditam ser 
viável usar a tecnologia para produzir temperaturas suficientes para 
iniciar a fusão nuclear.


Como estão trabalhando em uma área desconhecida, os cientistas 
parecem mais interessados em trocar experiências do que em competir. 
Evgeny Velikhov, responsável pelo lado russo do projeto, também é membro
 do conselho do ITER.


Mas o Dr. Coppi não se cansa de dizer, entrevista após entrevista, 
que, mesmo que o Ignitor nunca gere mais energia do que consumir, ainda 
assim a astrofísica terá muito a ganhar com o experimento.

Sterellator







O
 desenho complexo e tortuoso do Wendelstein 7-X servirá para demonstrar a
 utilidade do tipo stellarator de reator de fusão para a geração de 
energia. [Imagem: Max Planck Institute]




O tokamak não é o único caminho para tentar domar a fusão nuclear.


O projeto Wendelstein 7-X, do Instituto Max Planck, da Alemanha, está
 construindo um reator de fusão do tipo stellarator - ele será o maior 
do mundo desse tipo.


Um tokamak é alimentado por uma corrente de plasma. Essa corrente 
fornece uma parte do campo magnético responsável por isolar o próprio 
plasma das paredes do reator. O grande problema é evitar as 
"disrupções", as instabilidades do plasma circulante pelo torus.


Um reator do tipo stellarator não tem corrente, eliminando de pronto o
 problema das instabilidades do plasma. Esse tipo de reator tem um 
desenho esquisito, mas também tem seus próprios problemas, como uma 
tendência a perder energia.


Cada stellarator foge à sua própria maneira do tipo "clássico", 
fazendo modificações e otimizações que tentam coibir os defeitos o obter
 um funcionamento contínuo.


O Wendelstein 7-X terá 50 bobinas supercondutoras, medindo 3,5 metros
 de altura cada uma, para gerar o campo magnético primário. Para 
completar o sistema de contenção do plasma será usada uma camada 
adicional com 20 bobinas planares, colocadas sobre as primeiras, que 
terão o papel adicional de permitir o controle da intensidade do campo 
magnético.


O conjunto todo é contido dentro de uma estrutura de 16 metros de 
diâmetro. Uma usina de refrigeração fornecerá 5.000 Watts de hélio 
líquido para manter a supercondução dos fios que formam as bobinas.


O Wendelstein 7-X será um reator de pesquisa, sem intenção de 
produzir energia. Na verdade, a intenção é demonstrar a viabilidade da 
construção de uma usina de fusão nuclear usando um reator do tipo 
stellarator. Se tudo ocorrer segundo o cronograma, o reator deverá 
entrar em funcionamento em 2014.


Fusão nuclear com laser



Megalaser tentará criar fusão nuclear para gerar eletricidade [Imagem: Hiper]





O projeto europeu Hiper (sigla em inglês de Pesquisa de Energia Laser
 de Alta Potência) pretende atingir as altas temperaturas necessárias 
para iniciar a fusão nuclear usando um equipamento de raio laser do tamanho de um estádio de futebol.


Um laser de alta potência vai comprimir átomos de hidrogênio para conseguir uma densidade 30 vezes maior do que a do chumbo.


Um segundo laser vai aumentar a temperatura do hidrogênio comprimido 
acima dos 100 mihões de graus Celsius - ao menos é o que os cálculos 
indicam.


Nessas condições, os núcleos do hidrogênio deverão se fundir para formar hélio.


Iniciado em 2008, o Hiper é financiado pela Comissão Europeia e envolve 26 instituições de dez países.

Motor de fusão







Em
 vez de confinar o plasma em uma estrutura toroidal, como no tokamak, o 
motor de fusão vai acelerar duas pequenas bolas de plasma uma em direção
 à outra. [Imagem: Helion Energy]




Os cientistas da empresa privada Helion Energy são bem mais comedidos do que seus parceiros institucionais.


Seu reator de fusão nuclear é um equipamento cilíndrico de 16 metros de comprimento e pouco mais de um metro de diâmetro.


Chamado de "motor de fusão", o reator não usará supermagnetos 
supercondutores mantidos em temperaturas criogênicas: ele usará um 
processo conhecido como configuração de campo reverso.


Em vez de confinar o plasma em uma estrutura toroidal, como no 
tokamak, o motor de fusão vai acelerar duas pequenas bolas de plasma uma
 em direção à outra.


Manter o plasma isolado em um aparato linear é muito mais simples do 
que o formato toroidal, exigindo um campo magnético menos intenso e mais
 fácil de controlar. É por isso que o reator é tão menor do que seus 
concorrentes.


Se os cálculos estiverem corretos, a colisão deverá gerar calor 
suficiente para fundir os núcleos dos átomos, aquecê-los e iniciar a 
fusão de forma sustentada.


Como a fusão ocorre em um ponto determinado no espaço é mais fácil 
também recolher os nêutrons gerados. Os nêutrons são essenciais para 
gerar o combustível da fusão.


E, se eles escaparem, podem tornar radioativas as peças metálicas do 
equipamento com as quais entrarem em contato - isso acontecerá no ITER, 
que deverá trocar as partes internas do seu reator periodicamente.


O protótipo do motor de fusão atingiu uma temperatura de 25 milhões 
de graus Celsius, bem abaixo do necessário. Mas os cientistas calculam 
que a temperatura necessária será alcançada com um equipamento apenas 
três vezes maior.


A NASA e o Departamento de Defesa dos Estados Unidos já investiram 
US$5 milhões na empresa, que agora está procurando parceiros privados 
para levantar mais US$20 milhões, necessários para construir a versão 
final do seu motor de fusão.


Fusão geral





O aparato experimental produziu uma temperatura de 5 milhões de graus Celsius durante 1 microssegundo. [Imagem: General Fusion]





A empresa canadense General Fusion está usando uma outra abordagem para tentar obter a fusão nuclear sustentada.


A técnica chama-se fusão de plasma magnetizado e consiste em iniciar a
 fusão em um plasma comprimido de forma intensa e rápida no interior de 
uma esfera giratória de metal líquido.


O reator funciona em ciclos sequenciais, com cada compressão do 
plasma magnetizado produzindo um "disparo" de energia gerada pela fusão.


São quatro ciclos: criação do plasma de deutério e trício, 
aprisionamento do plasma em um campo magnético, compressão do plasma 
magnetizado, gerando a fusão e, finalmente, captura do calor gerado pela
 fusão para uso em uma usina termoelétrica.


Os resultados ainda são modestos: segundo a empresa, o aparato 
produziu uma temperatura de 5 milhões de graus Celsius durante 1 
microssegundo.


Mas a General Fusion tem mais dinheiro para construir versões maiores
 do seu reator: os US$30 milhões foram levantados entre investidores 
privados, entre os quais Jeff Bezos, da Amazon.





Esquema
 do reator Rostoker/Monkhorst, mostrando os íons do combustível (106) 
viajando ao redor e através da armadilha magnética. Os pesquisadores 
acreditam que, induzindo variações na velocidade do combustível, os íons
 irão se chocar com energia suficiente para se fundirem. [Imagem: 
Rostoker and Monkhorst/University of California]

Fusão secreta


Há uma outra empresa privada na área, chamada Tri Alpha Energy, que 
não gosta de aparecer e nem divulga seus projetos, mas que aparentemente
 está usando um conceito criado pelos físicos Norman Rostoker e Hendrik 
Monkhorst.


A ideia é misturar hidrogênio e boro-11 em um plasma de alta temperatura para gerar a fusão.


O processo de confinamento usa a mesma configuração de campo reverso,
 mas aparentemente mantendo toda a energia de entrada dentro do reator -
 os elétrons do combustível seriam confinados eletrostaticamente e os 
íons seriam aprisionados magneticamente.


Os pesquisadores acreditam que, com o calor e a densidade adequadas, esses íons vão se fundir para liberar energia.


Recentemente circularam boatos de que a empresa teria levantado US$90
 milhões, tendo entre seus investidores Paul Allen, cofundador da 
Microsoft. Mas as empresas de capital de risco apontadas nos boatos não 
listam a empresa em sua carteira de investimentos.


Em um artigo científico publicado em 2010, seus cientistas afirmam 
ter alcançado uma temperatura de 5 milhões de graus Celsius durante 2 
milissegundos.


Já houve vários boatos sobre a iminência de um teste "no ano que 
vem", que ainda não aconteceu. Os mais otimistas opinam que uma versão 
comercial do reator Rostoker/Monkhorst - capaz de produzir mais energia 
do que consome - não sairá antes de 2020.




A
 fusão nuclear a frio, ou fusão de baixa energia, não pretende ser usada
 para geração de energia, mas poderá ser útil na área médica. [Imagem: 
Melvin Miles]

Fusão nuclear a frio


Há também propostas mais controversas para a fusão nuclear, embora não voltadas especificamente para a produção de energia.


A principal delas é a chamada fusão nuclear a frio, ou fusão de baixa
 energia, que mostra os indícios da fusão por meio dos nêutrons gerados 
no processo - pouquíssimos nêutrons, em comparação com os experimentos 
que pensam em gerar energia.


A ideia surgiu em 1989, quando Martin Fleishmann e Stanley Pons 
afirmaram ter verificado a fusão nuclear em uma célula eletrolítica. Mas
 nenhum outro grupo conseguiu reproduzir o experimento.


A esperança renasceu em 2009, quando Pamela Mosier-Boss e sua equipe modificaram ligeiramente a célula eletrolítica de Fleishmann e Pons e tiveram resultados animadores, ainda que frágeis demais para qualquer uso prático.


Mas a fusão nuclear a frio só voltou a ser levada a sério em 2010,
 quando a Sociedade Americana de Química promoveu um evento de dois dias
 exclusivamente para discutir o assunto. Deste o fiasco inicial, quem se
 atrevia a pesquisar a área preferia trabalhar em silêncio.


Foram mais 50 apresentações de experimentos que apresentaram 
resultados significativos, suficientes para colocar o assunto em pauta 
novamente. Mas ninguém sonha em usar a fusão a frio para geração de 
energia.


Fusão por cavitação


Pelo menos três grupos se envolveram em uma pretensa fusão nuclear em
 um equipamento de mesa, desde que Rusi Taleyarkhan e seus colegas do 
Laboratório Nacional Oak Ridge afirmaram ter conseguido iniciar a fusão 
pelo colapso de microbolhas.


Seth Putterman, da Universidade da Califórnia, fez uma demonstração semelhante em 2005, mas usando o aquecimento de um cristal em um ambiente de deutério.
 A produção de nêutrons, contudo, foi muito pequena, e os cientistas 
nunca chegaram a afirmar que a técnica seria útil para a geração de 
energia.


No mesmo ano, uma equipe da Universidade Purdue afirmou ter 
confirmado o experimento de Taleyarkhan, baseado na cavitação de 
microbolhas.


Contudo, depois da contestação de outros cientistas, a Universidade 
fez uma sindicância e concluiu que Yiban Xu e Adam Butt haviam falseado 
os resultados.








Fonte:&nbsp;http://www.inovacaotecnologica.com.br