A fusão nuclear é o processo que alimenta o Sol e todas as outras estrelas. Durante a fusão, os núcleos de dois átomos são aproximados o suficiente para se fundirem, liberando enormes quantidades de energia.
A replicação desse processo na Terra tem o potencial de fornecer eletricidade quase ilimitada com emissões de carbono praticamente nulas e maior segurança, e sem o mesmo nível de lixo nuclear que a fissão.
Mas construir o que é essencialmente uma mini estrela na Terra e mantê-la unida dentro de um reator não é uma tarefa fácil. Requer temperaturas e pressões imensas e campos magnéticos extremamente fortes.
No momento, não temos materiais capazes de suportar esses extremos. Mas pesquisadores como eu estão trabalhando para desenvolvê-los e descobrimos algumas coisas interessantes ao longo do caminho.
Tokamaks
Existem muitas maneiras de conter as reações de fusão nuclear na Terra, mas a mais comum usa um dispositivo em forma de donut chamado tokamak. Dentro do tokamak, os combustíveis para a reação – isótopos de hidrogênio chamados deutério e trítio – são aquecidos até se tornarem um plasma. Um plasma é quando os elétrons nos átomos têm energia suficiente para escapar dos núcleos e começar a flutuar. Por ser feito de partículas eletricamente carregadas, ao contrário de um gás normal, ele pode estar contido em um campo magnético. Isso significa que ele não toca as laterais do reator – em vez disso, ele flutua no meio em forma de rosquinha.
Quando o deutério e o trítio têm energia suficiente, eles se fundem, criando hélio, nêutrons e liberando energia. O plasma deve atingir temperaturas de 100 milhões de graus Celsius para que grandes quantidades de fusão aconteçam – dez vezes mais quente que o centro do Sol. Tem que ser muito mais quente porque o Sol tem uma densidade de partículas muito maior.
Embora esteja quase todo contido em um campo magnético, o reator ainda precisa suportar altas temperaturas. No Iter, o maior experimento de fusão do mundo, com previsão de construção em 2035, a parte mais quente da máquina atingiria cerca de 1.300 °C.
Embora a maior parte do plasma esteja contida em um campo magnético, há momentos em que o plasma pode colidir com as paredes do reator. Isso pode resultar em erosão, combustível sendo implantado nas paredes e modificações nas propriedades do material.
Além das temperaturas extremas, também temos que considerar os subprodutos da reação de fusão de deutério e trítio, como nêutrons de energia extremamente alta. Os nêutrons não têm carga, portanto não podem ser contidos pelo campo magnético. Isso significa que eles atingem as paredes do reator, causando danos.
Os avanços
Todos esses desafios incrivelmente complexos contribuíram para grandes avanços nos materiais ao longo dos anos. Um dos mais notáveis são os ímãs supercondutores de alta temperatura, que estão sendo usados em vários projetos de fusão diferentes. Eles se comportam como supercondutores em temperaturas abaixo do ponto de ebulição do nitrogênio líquido. Embora pareça frio, é alto em comparação com as temperaturas muito mais frias que outros supercondutores precisam.
Na fusão, esses ímãs estão a apenas alguns metros das altas temperaturas dentro do tokamak, criando um gradiente de temperatura extremamente grande. Esses ímãs têm o potencial de gerar campos magnéticos muito mais fortes do que os supercondutores convencionais, o que pode reduzir drasticamente o tamanho de um reator de fusão e pode acelerar o desenvolvimento da fusão comercial.
Temos alguns materiais projetados para lidar com os vários desafios que lhes lançamos em um reator de fusão. Os favoritos no momento são os aços de ativação reduzida, que têm uma composição alterada para os aços tradicionais, de modo que os níveis de ativação de danos de nêutrons são reduzidos, e tungstênio.
Uma das coisas mais legais da ciência é algo inicialmente visto como um problema potencial que pode se transformar em algo positivo. A fusão não é exceção a isso, e um exemplo muito específico, mas notável, é o caso da penugem de tungstênio. Fuzz é uma nanoestrutura que se forma no tungstênio quando exposta ao plasma de hélio durante os experimentos de fusão. Inicialmente considerado um problema potencial devido ao medo da erosão, agora há pesquisas em aplicações sem fusão, incluindo a divisão solar da água – decompondo-a em hidrogênio e oxigênio.
No entanto, nenhum material é perfeito e há vários problemas restantes. Isso inclui a fabricação de materiais de ativação reduzida em grande escala e a fragilidade intrínseca do tungstênio, o que o torna um desafio de trabalhar. Precisamos melhorar e refinar os materiais existentes que temos.
Os desafios
Apesar dos enormes avanços no campo dos materiais para fusão, ainda há muito trabalho a ser feito. O principal problema é que contamos com vários experimentos proxy para recriar as condições potenciais do reator e temos que tentar juntar esses dados, geralmente usando amostras muito pequenas. O trabalho de modelagem detalhado ajuda a extrapolar as previsões de desempenho do material. Seria muito melhor se pudéssemos testar nossos materiais em situações reais.
A pandemia teve um grande impacto na pesquisa de materiais porque é mais difícil realizar experimentos na vida real. É realmente importante que continuemos a desenvolver e usar modelos avançados para prever o desempenho do material. Isso pode ser combinado com avanços no aprendizado de máquina, para identificar os principais experimentos que precisamos focar e identificar os melhores materiais para o trabalho em reatores futuros.
A fabricação de novos materiais normalmente ocorre em pequenos lotes, com foco apenas na produção de materiais suficientes para experimentos. Daqui para frente, mais empresas continuarão a trabalhar na fusão e haverá mais programas trabalhando em reatores experimentais ou protótipos.
Por isso, estamos chegando ao estágio em que precisamos pensar mais sobre a industrialização e o desenvolvimento das cadeias de suprimentos. À medida que nos aproximamos de protótipos de reatores e, com sorte, de usinas de energia no futuro, o desenvolvimento de cadeias de suprimentos robustas em grande escala será um grande desafio.
Publicado em 03/03/2021 15h33
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