Chase Taylor
A fusão nuclear é vista por muitos como o Santo Graal da energia limpa e renovável.
Embora estudado desde a década de 1920, os cientistas ainda precisam superar os problemas tecnológicos e econômicos desse processo que promete fornecer energia no futuro.
No entanto, em 2025, os cientistas planejam ativar o primeiro reator de fusão, que deverá produzir mais energia do que a que consome para funcionar. Isso comprovará a viabilidade econômica de uma alternativa para a geração de energia elétrica.
Chegar lá é um longo caminho. O engenheiro nuclear Chase Taylor é um cientista sênior do Laboratório Nacional de Idaho, uma instalação de pesquisa nuclear. Ele está trabalhando arduamente para resolver alguns dos problemas que tornarão possível um reator de fusão comercialmente viável.
As usinas geram eletricidade convertendo energia mecânica, como a rotação de uma turbina, em energia elétrica. Essas usinas utilizam combustíveis fósseis, energia nuclear ou fontes renováveis, como a energia hidrelétrica, para acionar as turbinas.
A fissão nuclear alimenta os reatores nucleares que produzem eletricidade atualmente. A fissão nuclear libera energia térmica ao dividir átomos. A energia produzida pela reação aquece a água, que produz vapor para girar turbinas e, por fim, gerar eletricidade.
A fissão nuclear apresenta muitas vantagens. Ela fornece energia altamente confiável e com baixas emissões, é duradoura e possui a menor taxa de mortalidade anual entre todas as fontes de energia. Seu funcionamento é bem compreendido, e sistemas avançados de reatores de fissão podem ampliar ainda mais seus benefícios em estruturas menores, com desempenho de segurança ainda superior aos projetos atuais.
Os sistemas de reatores de fissão podem ser perigosos quando mal projetados ou gerenciados, como demonstraram os eventos em Chernobyl e Fukushima. Usinas de grande porte exigem alto investimento inicial e seus resíduos requerem armazenamento de longo prazo caso não sejam implementadas medidas de reciclagem.
O processo de fusão
A fusão, um processo à parte, é uma reação nuclear onde núcleos atômicos de baixa massa se fundem para formar um núcleo mais pesado, com a consequente liberação de energia. É o que alimenta o Sol.
Um reator de fusão utiliza isótopos de hidrogênio, deutério e trítio, como combustível. Isótopos são variações de um elemento químico com diferentes números de nêutrons no núcleo.
O suprimento de combustível para fusão é praticamente ilimitado. Os cientistas conseguem produzir trítio durante a reação de fusão em contato com lítio, e o deutério pode ser encontrado na água do mar. Embora a água do mar contenha uma pequena fração desse elemento, o combustível para fusão preenche nossos oceanos, fornecendo-nos um suprimento de combustível praticamente inesgotável. Outra vantagem da fusão é que um reator de fusão não pode sofrer um evento nuclear catastrófico descontrolado, como um acidente nuclear.
“Não é possível. Nem mesmo na hipótese mais remota”, disse Taylor. “Não é que seja projetado para ser seguro, é simplesmente a física da fusão. Simplesmente, se algo der errado, a reação de fusão irá parar. É exatamente isso que torna a fusão tão desafiadora.”
Mas a fusão tem algumas desvantagens. Controlar uma reação de fusão tem se mostrado difícil. A bomba de hidrogênio é baseada em uma reação de fusão não controlada. Se a mesma quantidade de energia pudesse ser liberada gradualmente de forma controlada, a fusão poderia cumprir sua promessa.
A fusão também acarreta danos por radiação nos sistemas das usinas e gera alguns resíduos radioativos, além de apresentar custos operacionais elevados inicialmente.
A fusão utiliza esses isótopos em um plasma, um tipo de gás em fluxo que reage a campos elétricos, como o gás em lâmpadas fluorescentes. Um reator de fusão aquece esse gás a temperaturas extremamente altas e o comprime com ímãs.
Mas parte do material vaza e atinge as placas de tungstênio que revestem as paredes internas do reator em formato de rosca. Um reator de fusão produz nêutrons, que podem penetrar profundamente nas paredes e criar um caminho para o deutério e o trítio. Isso representa uma ineficiência no processo e um possível problema de segurança.
“Estamos interessados em analisar quanto desse deutério e trítio, que deveria ser usado como combustível, está ficando preso nas placas de tungstênio, e a que profundidade está preso”, disse Taylor.
Do ponto de vista regulatório, os operadores estão limitados a uma certa quantidade de deutério e trítio em uma instalação. Mas esses isótopos são destinados a serem usados como fonte de energia. Se parte deles ficar retida nas paredes do vaso do reator, o deutério e o trítio não estarão disponíveis para gerar calor e, consequentemente, eletricidade. Mesmo assim, essa quantidade ainda será contabilizada no limite regulamentado do operador. Trata-se de uma questão de eficiência que precisa ser resolvida.
“Ao estudar a quantidade de deutério e trítio que penetram nas paredes e a que profundidade, podemos compreender melhor esse processo”, disse ele.
HORIBA GD-Profiler 2(TM)
Existem duas técnicas padrão para medir a quantidade total de trítio que penetra nas paredes. Uma delas consiste em aquecer a amostra de azulejo e evaporar todo o deutério e trítio retidos. Os cientistas fazem a medição com um espectrômetro de massa quadrupolar. Mas isso não informa a profundidade em que os isótopos ficaram retidos na amostra.
A segunda técnica, um pouco menos disponível, é a análise por reação nuclear. Infelizmente, ela se limita a apenas alguns micrômetros de profundidade, entre três e oito micrômetros no tungstênio. Não consegue detectar nada mais profundo do que isso.
“Algumas publicações estimam que essa técnica (análise de reação nuclear) deixa de detectar até 90% do deutério ou trítio total que fica retido na amostra”, disse Taylor. “Portanto, é difícil dizer, em um cenário de acidente, com base nessa técnica, quanto deutério e trítio realmente ficam retidos.”
Taylor procurou uma técnica que fosse sensível e que lhe permitisse analisar a amostra com muito mais profundidade.
É aí que entra a Espectrometria de Emissão Óptica por Descarga Luminescente (GD-OES). Ela mede os elementos presentes na amostra, seus níveis de concentração e, claro, a profundidade de penetração dos materiais nas placas de tungstênio.
A técnica GD-OES penetra na amostra, caracteriza sua composição e mede a profundidade de penetração das substâncias radioativas.
“Pouquíssimas técnicas são sensíveis ao deutério e ao trítio”, disse Taylor. “Mas a espectroscopia de emissão óptica é uma dessas técnicas que é sensível a eles. E essa técnica também nos permite analisar rapidamente até cem micrômetros na amostra, o que supera em muito as capacidades atualmente consideradas padrão na comunidade de materiais de fusão.”
Isso também ajuda a determinar se o deutério e o trítio estão saindo pela parte de trás, permeando as placas ou simplesmente ficando presos no meio.
Taylor utiliza um instrumento HORIBA GD-Profiler 2 GD-OES para suas análises.
O GD-Profiler 2 proporciona uma análise rápida e simultânea de todos os elementos de interesse, incluindo nitrogênio, oxigênio, hidrogênio e cloro. É uma ferramenta ideal para a caracterização de filmes finos e espessos e para estudos de processos.
“É essencialmente para gerenciar o ciclo do combustível de fusão”, disse ele.
A permeação ou penetração ocorrerá. Saber a extensão e a profundidade desse processo permitirá aos cientistas projetar sistemas que compensem a perda de isótopos.
“Se o deutério ou o trítio conseguirem permear a primeira camada, precisamos controlar isso na segunda camada, que está logo atrás”, disse ele.
Taylor opera um dispositivo de plasma linear que simula a porção mais energética de um reator de fusão. Ele usa esse dispositivo de plasma linear para implantar deutério e trítio em placas de tungstênio.
“Sabemos quanto deutério e trítio atingiram a placa”, disse ele. “Então removemos (a placa) e a levamos para o sistema de descarga luminescente, medimos quanto realmente ficou preso nela e a que profundidade ficou preso.”
Ele usa essas informações para alimentar modelos, permitindo que os cientistas extrapolem os resultados para outras condições. Isso ajuda a construir um banco de dados que mostra os níveis de permeação dos materiais nas paredes sob diversas condições. Essas condições incluem fluxos, ou seja, quantas partículas atingem as placas por segundo; temperatura, que pode variar entre 200 e 1.200 graus Celsius; e a concentração de hélio, um subproduto da reação de fusão.
Uma enorme colaboração internacional chamada ITER – que significa “o caminho” ou “a jornada” em latim – está construindo um reator de fusão no sul da França. Os cientistas projetaram o reator para comprovar a viabilidade da fusão como uma fonte de energia em larga escala e livre de carbono.
O ITER será o primeiro dispositivo de fusão a produzir energia líquida – quando a potência total produzida exceder a potência necessária para aquecer o plasma. Espera-se que seja o primeiro dispositivo de fusão a testar as tecnologias integradas, os materiais e os regimes físicos necessários para a produção comercial de eletricidade baseada na fusão.
Os colaboradores iniciaram o experimento conjunto em 1985. Os membros do ITER incluem China, União Europeia, Índia, Japão, Coreia, Rússia e Estados Unidos.
“Se isso for bem-sucedido, então entidades comerciais começarão a desenvolver seus próprios (reatores de fusão)”, disse Taylor. “Provavelmente ainda faltam algumas décadas para isso, devido a questões de desenvolvimento e regulamentação.”
Durante sua graduação, Taylor fazia um estágio relacionado à fissão nuclear.
"Participei de um seminário sobre fusão durante o almoço e fiquei realmente boquiaberto. Eu nunca tinha ouvido falar em fusão até então."
A enorme complexidade da ciência envolvida na fusão nuclear o atraiu.
“Eu planejava fazer pós-graduação, e no verão seguinte consegui um estágio em fusão. Foi muito legal.”
Taylor obteve seu mestrado e doutorado em engenharia nuclear, e sua pesquisa se concentra em materiais de fusão. Agora, seu futuro ajudará a determinar a saúde do planeta.
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