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Projecto ITER,  France
Fusão nuclear

Fusão nuclear

Fusão nuclear

A fusão nuclear é uma reação nuclear na qual dois núcleos de átomos de luz, em geral hidrogênio e seus isótopos (deutério e trítio), se unem para formar outro núcleo mais pesado. Geralmente essa união é acompanhada pela emissão de partículas (no caso dos núcleos atômicos do deutério, um nêutron é emitido). Essa reação de fusão nuclear libera ou absorve uma grande quantidade de energia na forma de raios gama e também de energia cinética das partículas emitidas. Essa grande quantidade de energia permite que a matéria entre no estado plasmático.

As reações de fusão nuclear podem emitir ou absorver energia. Se os núcleos a serem fundidos possuem menos massa que o ferro, a energia é liberada. Pelo contrário, se os núcleos atômicos que se fundem são mais pesados ​​que o ferro, a reação nuclear absorve energia.

Não confunda a fusão nuclear com a fusão do núcleo do reator, que se refere à fusão do núcleo do reator de uma usina nuclear devido ao superaquecimento causado pelo mau resfriamento. Durante o acidente nuclear de Fukushima, essa expressão foi usada com frequência na mídia.

Fusão nuclear na natureza

O Sol é um exemplo de energia de fusão nuclear que chega a Tiera por radiação eletromagnéticaAs estrelas, incluindo o Sol, experimentam constantemente reações de fusão nuclear. A luz e o calor que percebemos do Sol são o resultado dessas reações de fusão nuclear: os núcleos de hidrogênio colidem uns com os outros e se fundem, resultando em um núcleo de hélio mais pesado, liberando uma enorme quantidade de energia. A energia liberada atinge a Terra na forma de radiação eletromagnética.

As forças de gravidade no universo geram as condições perfeitas para a fusão nuclear.

As reações de fusão nuclear também são chamadas de reações termonucleares devido às altas temperaturas que elas experimentam. Dentro do Sol, a temperatura está perto de 15 milhões de graus Celsius.

Requisitos técnicos para fusão nuclear

Para realizar reações de fusão nuclear, os seguintes requisitos devem ser atendidos:

  • Obter uma temperatura muito alta para separar os elétrons do núcleo e que este se aproxima de outro superando as forças de repulsão eletrostática. A massa gasosa composta de elétrons livres e átomos altamente ionizados é denominada plasma.
  • É necessário confinamento para manter o plasma em temperatura elevada por um período mínimo de tempo.
  • Densidade plasmática suficiente para que os núcleos estejam próximos um do outro e possam gerar reações de fusão nuclear.

Confinamento por fusão nuclear

Confinamentos convencionais usados ​​em reatores de fissão nuclear não são possíveis devido às altas temperaturas do plasma que eles devem suportar. Por esse motivo, dois importantes métodos de confinamento foram desenvolvidos:

  • Fusão nuclear por confinamento inercial (FCI): consiste em criar um meio tão denso que as partículas quase não têm chance de escapar sem colidir umas com as outras. Uma pequena esfera composta de deutério e trítio é afetada por um raio laser, causando sua implosão. Assim, torna-se centenas de vezes mais denso e explode sob os efeitos da reação de fusão nuclear.
  • Fusão nuclear de confinamento magnético (FCM): Partículas de plasma eletricamente carregadas ficam presas em um espaço reduzido pela ação de um campo magnético. O dispositivo mais desenvolvido tem uma forma toroidal e é chamado Tokamak.

Reações de fusão nuclear

Dois núcleos de hidrogênio se fundem para obter hélio e energia

Os elementos atômicos normalmente usados ​​nas reações de fusão nuclear são o hidrogênio e seus isótopos: Deutério (D) e Trítio (T). As reações de fusão mais importantes são:

D + T ->  4 He + n + 17,6 MeV  
Fundindo um núcleo de Deutério com um núcleo de Trítio, é obtido um núcleo de Hélio formado por dois nêutrons e dois prótons, liberando 1 nêutron e 17,6 MeV de energia.

D + D ->  3 He + n + 3,2 MeV 
Mesclando dois núcleos de Deutério, obtém-se um núcleo de Hélio formado por um nêutron e dois prótons, liberando um nêutron e 3,2 MeV de energia.

D + D -> T + p + 4,03 MeV Pela 
fusão de dois núcleos de Deutério, obtém-se um núcleo de Trítio, um próton e 4,03 MeV de energia.

Para que essas reações ocorram, a energia cinética necessária deve ser fornecida aos núcleos para que os núcleos a serem fundidos se aproximem, superando assim as forças de repulsão eletrostática. Isso requer o aquecimento do gás a temperaturas muito altas, como as que deveriam ocorrer no centro das estrelas.

O requisito de qualquer reator de fusão nuclear é confinar o referido plasma com temperatura e densidade suficientemente altas e pelo tempo certo, a fim de permitir que ocorram reações de fusão nuclear suficientes, impedindo que as partículas escapem, para obter um ganho líquido. de energia. Esse ganho de energia depende da energia necessária para aquecer e confinar o plasma, sendo menor que a energia liberada pelas reações de fusão nuclear. Em princípio, 335 MJ podem ser obtidos para cada miligrama de deutério-trítio.

Combustível usado para reações de fusão nuclear

Núcleos de luz são necessários para reações de fusão nuclear. Basicamente, são usados ​​o deutério e o trítio, que são dois isótopos de hidrogênio.

O deutério é um isótopo estável de hidrogênio formado por um próton e um nêutron. Sua abundância em água é um átomo para cada 6.500 átomos de hidrogênio. Isso significa que na água do mar há uma concentração de 34 gramas de deutério por metro cúbico de água. O conteúdo energético do deutério é tão alto que a energia que pode ser obtida do deutério de um litro de água do mar é equivalente à energia que pode ser obtida de 250 litros de óleo.

Por esse motivo, considerando que três quartos do planeta estão cobertos por água, a fusão nuclear é considerada uma fonte inesgotável de energia.

O outro elemento usado na fusão nuclear, o trítio, é o isótopo instável ou radioativo do átomo de hidrogênio. Consiste em um próton e dois nêutrons e se desintegra por emissão beta relativamente rapidamente. Embora o trítio seja de natureza escassa, ele pode ser gerado por reações de captura de nêutrons com isótopos de lítio. O lítio é um material abundante na crosta terrestre e na água do mar.

Evolução histórica e projetos futuros de fusão nuclear

As origens da fusão nuclear estão localizadas por volta de 1929, quando Atkinson e Houtemans aumentaram a possibilidade de obter energia a partir de reações de fusão nuclear. No entanto, os conceitos mais importantes de fusão nuclear e sua aplicação real foram desenvolvidos a partir de 1942, com os trabalhos de H. Bethe, E. Fermi, R. Oppenheimer e E. Teller, entre outros. Os primeiros avanços tecnológicos foram realizados através do projeto Sherwood, que permitiu o desenvolvimento do conceito de confinamento magnético, obtendo os primeiros desenhos: z-pinch, stellarator e espelhos magnéticos.

Em 1961, J. Nuckolls (EUA) e N. Basov (URSS) desenvolveram uma técnica pela qual as reações de fusão nuclear podiam ser obtidas através de altas compressões causadas pela transferência de energia. Assim, programas secretos foram desenvolvidos nos EUA e na Rússia. Posteriormente, a França se junta a esse desenvolvimento, também secreto. Outros países como Alemanha, Japão, Itália e EUA (Rochester) desenvolveram programas abertos.

Em 1965, Artsimovich apresentou os resultados de sua pesquisa, na "2ª Conferência de Plasma e Fusão Controlada", sobre o conceito TOKAMAK (Toroidal KAmera MAgnetiK).

Vista interior do JET TokamakNo conceito TOKAMAK, o campo magnético necessário para confinar o plasma é o resultado da combinação de um campo toroidal, um campo poloidal, ambos criados por bobinas toroidais e um campo vertical (criado por um transformador). O plasma atua como secundário de um transformador em que a corrente é induzida que o aquece. Uma intensidade de corrente variável flui através do primário do transformador.

Em 1968, o vencedor do Prêmio Nobel N. Basov relatou a obtenção de temperaturas de ignição e a produção de nêutrons em reações de fusão nuclear usando lasers. A partir de então, um grande número de dispositivos em construção e operação estava disponível no conceito TOKAMAK, como os seguintes: TFR (França), T-4 e T-11 (URSS), ALCATOR e ORMAK (EUA). Outros, como o T-10 (URSS), PLT (EUA), DITE (GB), ASEDX (RFA) e FRASCATI (EURATOM-Itália) começaram a ser construídos.

Na década de 1970, começou a primeira série de publicações sobre FCI (Nuclear Fusion by Inertial Confinement). Nos EUA, os principais pesquisadores foram Brueckner, Nuckolls, Kidder e Clark. Na Rússia, Basov e sua equipe fizeram o experimento mais avançado, atingindo cerca de 3 milhões de nêutrons na implosão das esferas CD2.

Com base nesse conceito, existem e existem muitas instalações a laser que permitiram pesquisas avançadas sobre fusão nuclear. Destes, podemos destacar: NOVA (40 kJ, EUUU), OMEGA (30 kJ), GEKKO-XII (10 kJ, Japão), PHEBUS (3 kJ, França), VOLCAN (Reino Unido), ISKRA-5 (Rússia).

Dois grandes projetos foram desenvolvidos a partir dessas instalações a laser para demonstrar altos lucros: National Ignition Facility (NIF) nos EUA e Laser Megajoule (LMJ) na França.

Mas o laser não é o único dispositivo capaz de produzir implosões; também se observa que elétrons e feixes de íons leves e pesados ​​são candidatos sérios à fusão nuclear por confinamento inercial. Os seguintes projetos nascem com íons leves: ANGARA e PROTO (Rússia), PBFA-I e PBFA-II (EUA).

Em relação aos íons pesados, uma vez que não existem experimentos, resultados exatos não foram alcançados, embora certas previsões tenham sido feitas através de simulações teóricas, como as feitas no Projeto HIDIF (Projeto de Íons Pesados ​​de Instalações de Ignição), patrocinado por vários laboratórios e institutos europeus. e pelo laboratório americano Lawrence Berkeley.

Nos anos 90, as instalações do tipo TOKAMAK: JET (EURATOM), TFTR (EUA) e JT-60 (Japão), permitiram obter alguma energia. O primeiro foi o JET, que com uma mistura de D (90%) e T (10%) alcançou em 1991 uma potência de 1,7 MW. Posteriormente, em 1993, o TFTR com uma mistura de 50% DT atingiu 6 MW, atingindo temperaturas de 30 keV. No aquecimento foram gastos 29 MW. Atualmente, o TFTR está fechado. Até o momento, até 12 MW de potência foram produzidos em reações de fusão nuclear controlada por mais de um segundo (JET, 1997) e há confiança de que, com os atuais avanços tecnológicos, será possível atingir a faixa comercial de centenas de MW mantido.

A pesquisa experimental em FCM (fusão nuclear de confinamento magnético) na Espanha concentrou-se no CIEMAT (Centro de Pesquisa Energética, Ambiental e Tecnológica), que remonta a 1983, ano em que a primeira máquina de fusão nuclear é colocada em operação, o Tokamak TJ-I.

A partir deste momento, a pesquisa progrediu constantemente e, assim, em 1994 foi lançado o primeiro dispositivo de fusão nuclear construído inteiramente na Espanha: a atualização do Stellerator TJ-I, que foi cedida em 1999 à Universidade de Kiel em inicie a operação do TJ-II.

O TJ-II foi um grande salto científico em relação às experiências anteriores, considerado um dos três stellerators mais avançados do mundo, juntamente com o alemão Wendelstein 7-AS do Instituto Max Planck em Munique e o LHD japonês da Universidade de Nagoya.

O projeto de fusão nuclear por confinamento magnético: o ITER

O projeto mais avançado em Fusão Nuclear por Confinamento Magnético é o ITER (Reator Experimental Termonuclear Internacional), um protótipo baseado no conceito Tokamak e no qual a ignição é esperada. Diante dos bons resultados obtidos no JET, em 1990 foi decidido continuar o programa de fusão com uma instalação maior na qual, além do reator, seus sistemas auxiliares pudessem ser testados sem gerar eletricidade. União Européia, Canadá, EUA, Japão e Rússia participam desse projeto.

Imagem futurista do projeto de pesquisa em fusão nuclear do ITERImagem futurista do projeto de pesquisa em fusão nuclear do ITER

O objetivo é determinar a viabilidade técnica e econômica da fusão nuclear por confinamento magnético para geração de energia elétrica, como uma fase de pré-construção de uma instalação de demonstração comercial.

O ITER é um projeto tecnológico cuja construção é estimada em 10 anos e pelo menos 20 anos de pesquisa. Entre as tecnologias utilizadas para sua construção e subsequente operação e manutenção, destacam-se robótica, supercondutividade, microondas, aceleradores e sistemas de controle.

Na máquina ITER, não será produzida energia elétrica, serão testadas soluções para os problemas que precisam ser resolvidos para viabilizar futuros reatores de fusão nuclear. Este ambicioso projeto de pesquisa dará seus primeiros resultados a partir de 2050.

Os investimentos feitos para sua construção são estimados em cerca de 5.000 milhões de euros. Os custos operacionais atingirão 5.300 milhões de euros e os custos de desmontagem totalizarão 430 milhões de euros. O país onde está instalado (França) deve arcar com os custos de preparação do terreno e construção do edifício.

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    Referências

      Última revisão: 20 de outubro de 2019