A fusão nuclear voltou às notícias. Esta semana, o Departamento de Energia dos EUA anunciou o que chamou de “grande avanço científico” na pesquisa de energia de fusão: pela primeira vez, um experimento de fusão produziu mais energia do que a energia usada para iniciar a reação. Não é a primeira vez que ouvimos sobre o progresso da fusão. Houve décadas de manchetes fazendo avanços grandes e pequenos, geralmente implicando que estamos mais perto do que nunca para gerar toda a energia limpa que precisamos da fusão nuclear.
Um “grande avanço científico” na pesquisa de energia de fusão
É muito para assumir, então The Verge montou este guia para poder de fusão com a ajuda de alguns especialistas. Abaixo, resumimos os sonhos dos cientistas para a fusão, bem como as duras realidades que a tecnologia enfrenta para trazer o poder da fusão da ambição científica à realidade comercial.
O que é fusão nuclear?
A fusão nuclear tem sido um sonho energético elusivo para a melhor parte de um século. Em teoria, parece simples. Estrelas, incluindo nosso Sol, criam sua própria energia através de um processo chamado fusão, que é quando os átomos se fundem em altas temperaturas e pressões para criar um átomo mais pesado. Tipicamente, isso envolve átomos de hidrogênio combinando para formar hélio. A reação libera uma tonelada de energia, e é por isso que os cientistas na Terra querem replicar de forma controlada. (Eles conseguiram fazê-lo de forma descontrolada antes. Chama-se uma bomba de hidrogênio.)
Como é que a fusão nuclear é diferente da fissão nuclear?
As usinas nucleares que temos hoje geram eletricidade através da fissão, que é o contrário da fusão. A fissão libera energia dividindo átomos em vez de fundi-los juntos.
Quais são as vantagens da fusão nuclear?
Em teoria, uma vez que os seres humanos descobrem como fazer a fusão nuclear acontecer de forma controlada, as possibilidades são infinitas. O hidrogênio é o elemento mais simples e mais abundante do universo. Você pode obtê-lo de água do mar, por exemplo. E se você fizer, um único galão de água do mar pode gerar tanto energia quanto 300 galões de gasolina, de acordo com o Departamento de Energia.
Os reatores nucleares de hoje têm uma grande confusão para limpar, graças à fissão. Ao dividir átomos pesados, a fissão deixa-se atrás de resíduos radioactivos. O que fazer com esse desperdício nuclear por milhões de anos para vir é um pesadelo ambiental que os EUA ainda não descobriram.
Fusão não tem esses problemas. Com a fusão, você está construindo novos átomos — geralmente hélio, como no material que está em balões. Não gera emissões de gases de efeito estufa. Além disso, esta é uma fonte de energia potencialmente ilimitada que não depende do clima, que ainda é um desafio com renováveis como energia solar eólica.
Por que não conseguimos fazer a ignição acontecer?
Bem, acontece que é muito difícil recriar uma estrela em um laboratório. Para desencadear a fusão, você precisa de enormes quantidades de pressão e calor. O ambiente no coração do Sol fornece naturalmente a pressão extrema necessária para a fusão. Aqui na Terra, os cientistas não têm esse tipo de pressão apenas deitado e precisam atingir temperaturas ainda mais quentes do que o Sol para obter a mesma reação. Historicamente, isso levou mais energia do que os cientistas realmente foram capazes de gerar através da fusão em um laboratório.
Isso também leva quantidades extraordinárias de dinheiro e tecnologia altamente especializada. Com tudo isso em mente, é incrível que conseguimos fazer qualquer progresso científico. – A comercializar? Isso tem outra montanha de questões que vamos falar em apenas um pouco.
O que é este novo “explorado de fusão nuclear” de que todos estão falando?
Na segunda-feira, dia 5 de dezembro, às 1:03AM, pesquisadores do Lawrence Livermore National Lab alcançaram “ignição de fusão” pela primeira vez na Terra.
Basta colocar, “Eles atiraram um monte de lasers em uma pelota de combustível, e mais energia foi liberada dessa ignição de fusão do que a energia dos lasers entrando”, disse o diretor da White House Office of Science and Technology, Arati Prabhakar em uma conferência de imprensa anunciando a realização em 13 de dezembro.
Especificamente, a experiência produziu 3,15 megajoules de energia em comparação com os 2,05 megajoules os lasers usados para desencadear a reação de fusão. Isso é sobre um ganho de 1,5 em energia. É modesto, mas alcançar um ganho de energia líquido foi um primeiro importante para a pesquisa de fusão, no entanto.
Como fizeram isso?
Os pesquisadores usaram o maior e mais alto sistema laser de energia do mundo, chamado de National Ignition Facility (NIF). NIF é tão grande quanto três campos de futebol, capazes de disparar 192 feixes laser poderosos em um único alvo. Para alcançar a ignição de fusão, a energia desses feixes de laser de 192 espreme o combustível dentro de uma cápsula de diamante aproximadamente o tamanho de uma pimentão e 100 vezes mais suave do que um espelho. A cápsula contém isótopos de hidrogênio, alguns dos quais “fundidos” juntos para gerar energia. No total, cerca de 4 por cento do combustível foi convertido para energia.
Os lasers são puros. Fale-me mais sobre os diamantes também.
“A cápsula de combustível é uma casca de ponto BB feita de diamante que precisa ser o mais perfeito possível”, disse Michael Stadermann, gerente do programa de fabricação de alvo no Laboratório Nacional Lawrence Livermore, durante a conferência de imprensa de 13 de dezembro. “Como você pode imaginar, a perfeição é realmente difícil, e por isso ainda temos de chegar lá – ainda temos pequenas falhas em nossas conchas, menores do que bactérias. ”
A simetria desempenha um papel enorme na realização da ignição quando se trata tanto do alvo quanto da sua implosão. Os lasers precisam ser alinhados corretamente, e quando se trata do alvo, você precisa manter a simetria quase perfeita ao explodir seu alvo com intensa pressão e calor. É como comprimir um basquete até o tamanho de uma ervilha, os especialistas dizem, tudo ao mesmo tempo mantendo uma forma esférica perfeita. Se você se desviar dessa forma, você desperdiça muita energia cinética e não terá ignição.
Isso significa que vamos ter energia de fusão nuclear agora?
Não por um longo tiro. Enquanto o laboratório alcançou “ignição”, eles basearam sua realização em uma definição limitada de um “ganho de energia de rede” focado apenas na saída do laser. Enquanto os lasers dispararam 2,05 megajoules de energia em seu alvo, fazendo assim comeu um enorme 300 megajoules da grade. Tendo isso em conta, ainda havia muita energia perdida nesta experiência.
Para eventualmente ter uma usina de fusão, você precisa de uma maneira, vitória muito maior do que um ganho de energia líquido 1.5. Você vai precisar de um ganho de 50 a 100 em vez disso.
Então, para onde vamos daqui?
Há muito trabalho a fazer. Os pesquisadores estão constantemente tentando criar metas ainda mais precisas, visando essa esfera perfeitamente simétrica. Isto é incrivelmente intensivo de trabalho. Tanto que um único alvo de pellet pode custar cerca de $100,000 hoje, de acordo com o físico teórico da Universidade de Chicago, Robert Rosner. Rosner já atuou anteriormente no Comitê Consultivo Externo da NIF. Esse custo por pellet precisa cair para alguns centavos se a fusão nuclear é para ir comercial, Rosner diz, porque um reator de fusão pode precisar de um milhão de pellets por dia.
E se você quiser alcançar a ignição novamente usando lasers, você vai precisar de uma configuração mais eficiente, e isso pode funcionar muito mais rápido. O NIF, tão poderoso como é, é baseado na tecnologia laser de 1980. Há lasers mais avançados hoje, mas o National Ignition Facility é um behemoth — sua construção começou em 1997, e não foi operacional até 2009. Hoje, o NIF pode disparar seu laser uma vez a cada quatro a oito horas. Uma futura usina de fusão teria que disparar 10 vezes por segundo, de acordo com o físico plasmático nacional de Lawrence Livermore Tammy Ma.
“Esta é uma cápsula de ignição, uma vez. Para realizar energia de fusão comercial, você tem que fazer muitas coisas; você tem que ser capaz de produzir muitos, muitos eventos de ignição de fusão por minuto,” disse Kim Budil, diretor do Laboratório Nacional Lawrence Livermore, na conferência de imprensa. “Existem obstáculos muito significativos, não apenas na ciência, mas na tecnologia. ”
Há outras formas de fundir átomos juntos?
Sim, lasers certamente não são a única estratégia usada para desencadear ignição. A outra estratégia principal é usar campos magnéticos para limitar o combustível de plasma usando um dispositivo chamado tokamak. Um tokamak pode ser muito mais barato para construir do que o NIF. Mesmo as empresas privadas construíram tokamaks, então houve uma pesquisa mais generalizada neste reino.
Um tokamak ainda tem de chegar à ignição. Mas os ímãs que ele usa têm o potencial de sustentar uma reação de fusão por um longo período de tempo. (No NIF, as reações de fusão ocorrem dentro de uma fração de um nanossegundo.) Em última análise, avanços em qualquer ramo da pesquisa podem ajudar a trazer o poder de fusão dentro do alcance mais próximo.
O que alcançar “ignição” realmente realizar, então?
“Nós chegamos ao topo da colina,” Gianluca Sarri, professor de física da Queen’s University Belfast, conta The Verge. Ele diz que a realização da ignição foi essencialmente o “passo mais duro” na pesquisa de energia de fusão, e é essencialmente “para baixo” daqui mesmo que ainda haja um longo caminho a percorrer.
Dito isto, alcançar a ignição é mais um avanço científico do que um com aplicação prática para o nosso sistema de energia — pelo menos não por muitos mais anos.
Quando se trata de defesa nuclear e não proliferação, no entanto, alcançar a ignição pode ter um impacto mais imediato.
Espera, o que é isto sobre armas nucleares?
NIF foi inicialmente desenvolvido para realizar experimentos que ajudariam os EUA a manter seu estoque de armas nucleares sem realmente ter que explodir qualquer um deles. O Tratado Compreensivo Nuclear-Test-Ban de 1996 impediu todas as explosões nucleares na Terra, pondo fim a explosões subterrâneas de testes. NIF quebrou terreno no ano seguinte. A ignição nuclear foi finalmente capaz de alcançar em seu quinto experimento de dezembro essencialmente imita a fusão descontrolada que ocorre quando uma bomba nuclear detona. A esperança é que alcançar a ignição de uma forma controlada em um laboratório permitirá que os pesquisadores validem os modelos de computador que eles desenvolveram para substituir explosões de teste ao vivo.
Corta para a perseguição. Quando é que vamos ter centrais nucleares?
Os especialistas mais otimistas O Verge falou para esperar que pudéssemos ter a primeira usina de fusão dentro de uma década. Mas a maioria dos especialistas, embora ainda animado sobre o futuro do poder de fusão, pensam que provavelmente ainda estamos várias décadas de distância.
Isto vai resolver as alterações climáticas?
Não importa quanto tempo leva, não podemos esperar uma década ou mais para o poder de fusão para limpar a poluição do nosso sistema de energia. Para manter o aquecimento global de alcançar um ponto em que a humanidade lutaria para se adaptar, a pesquisa mostra que o mundo precisa reduzir as emissões de gases de efeito estufa até o zero líquido em cerca de 2050. Em 2030, as emissões de dióxido de carbono provenientes de combustíveis fósseis precisam ser cortadas aproximadamente na metade. Isso é muito mais rápido progresso do mundo real do que a pesquisa de fusão já foi capaz de alcançar.
