A energia termonuclear tem futuro?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Última modificação: 2023-12-16 16:14

Por mais de meio século, os cientistas vêm tentando construir uma máquina na Terra, na qual, como nas entranhas das estrelas, ocorre uma reação termonuclear. A tecnologia de fusão termonuclear controlada promete à humanidade uma fonte quase inesgotável de energia limpa. Cientistas soviéticos estiveram na origem desta tecnologia - e agora a Rússia está ajudando a construir o maior reator de fusão do mundo.

As partes do núcleo de um átomo são mantidas juntas por uma força colossal. Existem duas maneiras de liberá-lo. O primeiro método é usar a energia de fissão de grandes núcleos pesados da extremidade mais distante da tabela periódica: urânio, plutônio. Em todas as usinas nucleares da Terra, a fonte de energia é precisamente a decomposição de núcleos pesados.

Mas existe também uma segunda forma de liberar a energia do átomo: não para dividir, mas, ao contrário, para combinar os núcleos. Quando se fundem, alguns deles liberam ainda mais energia do que os núcleos de urânio físsil. Quanto mais leve o núcleo, mais energia será liberada durante a fusão (como eles dizem, fusão), então a maneira mais eficaz de obter a energia da fusão nuclear é forçar os núcleos do elemento mais leve - hidrogênio - e seus isótopos a se fundirem.

Estrela da mão: profissionais sólidos

A fusão nuclear foi descoberta na década de 1930 estudando os processos que ocorrem no interior das estrelas. Descobriu-se que as reações de fusão nuclear ocorrem dentro de cada sol, e a luz e o calor são seus produtos. Assim que isso ficou claro, os cientistas pensaram em como repetir o que está acontecendo nas entranhas do Sol na Terra. Comparado com todas as fontes de energia conhecidas, o "sol de mão" tem uma série de vantagens indiscutíveis.

Em primeiro lugar, o hidrogênio comum serve de combustível, cujas reservas na Terra durarão por muitos milhares de anos. Mesmo levando em consideração o fato de que a reação não requer o isótopo mais comum, o deutério, um copo d'água é suficiente para abastecer uma pequena cidade com eletricidade por uma semana. Em segundo lugar, ao contrário da combustão de hidrocarbonetos, a reação de fusão nuclear não produz produtos tóxicos - apenas o gás neutro hélio.

Prós da energia de fusão

Suprimentos de combustível quase ilimitados. Em um reator de fusão, os isótopos de hidrogênio - deutério e trítio - funcionam como combustível; você também pode usar o isótopo hélio-3. Há muito deutério na água do mar - ele pode ser obtido por eletrólise convencional, e suas reservas no Oceano Mundial durarão cerca de 300 milhões de anos na demanda atual da humanidade por energia.

Há muito menos trítio na natureza, ele é produzido artificialmente em reatores nucleares - mas muito pouco é necessário para uma reação termonuclear. Quase não há hélio-3 na Terra, mas há muito no solo lunar. Se algum dia tivermos energia termonuclear, provavelmente será possível voar até a lua para obter combustível para ela.

Sem explosões. É preciso muita energia para criar e manter uma reação termonuclear. Assim que o suprimento de energia para, a reação para e o plasma aquecido a centenas de milhões de graus deixa de existir. Portanto, um reator de fusão é mais difícil de ligar do que desligar.

Baixa radioatividade. Uma reação termonuclear produz um fluxo de nêutrons que são emitidos da armadilha magnética e depositados nas paredes da câmara de vácuo, tornando-a radioativa. Ao criar uma “manta” (manta) especial em torno do perímetro do plasma, desacelerando os nêutrons, é possível proteger completamente o espaço ao redor do reator. O cobertor em si torna-se inevitavelmente radioativo com o tempo, mas não por muito tempo. Deixando repousar por 20-30 anos, você pode obter novamente material com uma radiação de fundo natural.

Sem vazamentos de combustível. Sempre existe o risco de vazamento de combustível, mas um reator de fusão requer tão pouco combustível que mesmo um vazamento completo não ameaça o meio ambiente. O lançamento do ITER, por exemplo, exigiria apenas cerca de 3 kg de trítio e um pouco mais de deutério. Mesmo no pior cenário, essa quantidade de isótopos radioativos se dissipará rapidamente na água e no ar e não causará danos a ninguém.

Sem armas. Um reator termonuclear não produz substâncias que possam ser usadas para fazer armas atômicas. Portanto, não há perigo de que a disseminação da energia termonuclear leve a uma corrida nuclear.

Como iluminar o "sol artificial", em termos gerais, ficou claro já na década de cinquenta do século passado. Em ambos os lados do oceano, foram realizados cálculos que definem os principais parâmetros de uma reação de fusão nuclear controlada. Deve ocorrer a uma temperatura enorme de centenas de milhões de graus: sob tais condições, os elétrons são arrancados de seus núcleos. Portanto, essa reação também é chamada de fusão termonuclear. Núcleos nus, colidindo uns com os outros em velocidades vertiginosas, superam a repulsão de Coulomb e se fundem.

Problemas e soluções

O entusiasmo das primeiras décadas colidiu com a incrível complexidade da tarefa. O lançamento da fusão termonuclear acabou sendo relativamente fácil - se feito na forma de uma explosão. Os atóis do Pacífico e os locais de teste soviéticos em Semipalatinsk e Novaya Zemlya experimentaram todo o poder de uma reação termonuclear já na primeira década do pós-guerra.

Mas usar esse poder, exceto para destruição, é muito mais difícil do que detonar uma carga termonuclear. Para usar a energia termonuclear para gerar eletricidade, a reação deve ser realizada de forma controlada para que a energia seja liberada em pequenas porções.

Como fazer isso? O ambiente em que ocorre uma reação termonuclear é denominado plasma. É semelhante ao gás, mas ao contrário do gás normal consiste em partículas carregadas. E o comportamento das partículas carregadas pode ser controlado usando campos elétricos e magnéticos.

Portanto, em sua forma mais geral, um reator termonuclear é um coágulo de plasma preso em condutores e ímãs. Eles impedem que o plasma escape e, enquanto fazem isso, os núcleos atômicos se fundem dentro do plasma, como resultado da liberação de energia. Essa energia deve ser removida do reator, usada para aquecer o refrigerante - e a eletricidade deve ser obtida.

Armadilhas e vazamentos

O plasma acabou sendo a substância mais caprichosa que as pessoas na Terra tiveram de enfrentar. Cada vez que os cientistas descobriam uma maneira de bloquear um tipo de vazamento de plasma, um novo era descoberto. Toda a segunda metade do século 20 foi dedicada ao aprendizado de como manter o plasma dentro do reator por um período significativo. Esse problema começou a ceder apenas em nossos dias, quando surgiram computadores poderosos que possibilitaram a criação de modelos matemáticos do comportamento do plasma.

Ainda não há consenso sobre qual método é o melhor para o confinamento do plasma. O modelo mais famoso, o tokamak, é uma câmara de vácuo em forma de rosquinha (como dizem os matemáticos, um toro) com armadilhas de plasma dentro e fora. Esta configuração terá a maior e mais cara instalação termonuclear do mundo - o reator ITER atualmente em construção no sul da França.

Além do tokamak, há muitas configurações possíveis de reatores termonucleares: esféricos, como no Globus-M de São Petersburgo, estelares estranhamente curvos (como o Wendelstein 7-X no Instituto Max Planck de Física Nuclear na Alemanha), laser armadilhas inerciais, como o NIF americano. Eles recebem muito menos atenção da mídia do que o ITER, mas também têm grandes expectativas.

Há cientistas que consideram o design do stellarator fundamentalmente mais bem-sucedido do que o tokamak: é mais barato de construir e o tempo de confinamento de plasma promete dar muito mais. O ganho de energia é proporcionado pela geometria da própria armadilha de plasma, que permite livrar-se dos efeitos parasitários e de vazamentos inerentes ao "donut". A versão com bomba a laser também tem suas vantagens.

O combustível de hidrogênio neles é aquecido até a temperatura exigida por pulsos de laser, e a reação de fusão começa quase instantaneamente. O plasma em tais instalações é mantido por inércia e não tem tempo para se espalhar - tudo acontece muito rapidamente.

O mundo inteiro

Todos os reatores termonucleares existentes no mundo hoje são máquinas experimentais. Nenhum deles é usado para gerar eletricidade. Nenhum ainda conseguiu cumprir o critério principal para uma reação termonuclear (o critério de Lawson): obter mais energia do que foi gasto na criação da reação. Portanto, a comunidade mundial tem se concentrado no gigantesco projeto ITER. Se o critério de Lawson for atendido no ITER, será possível refinar a tecnologia e tentar transferi-la para trilhos comerciais.

Nenhum país do mundo poderia construir o ITER sozinho. Necessita apenas de 100 mil km de fios supercondutores, além de dezenas de ímãs supercondutores e um solenóide central gigante para reter plasma, um sistema para criar alto vácuo em um anel, resfriadores de hélio para ímãs, controladores, eletrônicos … Portanto, o O projeto está construindo 35 países e mais de uma vez, milhares de institutos científicos e fábricas.

A Rússia é um dos principais países participantes do projeto; na Rússia, 25 sistemas tecnológicos do futuro reator estão sendo projetados e construídos. São supercondutores, sistemas de medição de parâmetros de plasma, controladores automáticos e componentes do divertor, a parte mais quente da parede interna do tokamak.

Após o lançamento do ITER, os cientistas russos terão acesso a todos os seus dados experimentais. No entanto, o eco do ITER não se fará sentir apenas na ciência: agora, em algumas regiões, surgiram instalações de produção, que antes não existiam na Rússia. Por exemplo, antes do início do projeto, não havia produção industrial de materiais supercondutores em nosso país, e apenas 15 toneladas por ano eram produzidas em todo o mundo. Agora, apenas na Usina Mecânica Chepetsk da estatal "Rosatom" é possível produzir 60 toneladas por ano.

O futuro da energia e mais além

O primeiro plasma do ITER está previsto para ser recebido em 2025. O mundo inteiro está esperando por este evento. Mas uma máquina, mesmo a mais poderosa, não é tudo. Em todo o mundo e na Rússia, eles continuam a construir novos reatores termonucleares, que ajudarão a finalmente entender o comportamento do plasma e encontrar a melhor forma de usá-lo.

Já no final de 2020, o Instituto Kurchatov vai lançar um novo tokamak T-15MD, que fará parte de uma instalação híbrida com elementos nucleares e termonucleares. Os nêutrons, que se formam na zona de reação termonuclear, na instalação híbrida, serão usados para iniciar a fissão de núcleos pesados - urânio e tório. No futuro, essas máquinas híbridas podem ser usadas para produzir combustível para reatores nucleares convencionais - tanto térmicos quanto nêutrons rápidos.

Salvação de tório

Especialmente tentador é o prospecto de usar um "núcleo" termonuclear como uma fonte de nêutrons para iniciar a decadência nos núcleos de tório. Há mais tório no planeta do que urânio, e seu uso como combustível nuclear resolve vários problemas da energia nuclear moderna de uma só vez.

Assim, os produtos da decomposição do tório não podem ser usados para produzir materiais radioativos militares. A possibilidade desse uso funciona como um fator político que impede que pequenos países desenvolvam sua própria energia nuclear. O combustível de tório resolve esse problema de uma vez por todas.

As armadilhas de plasma podem ser úteis não apenas em energia, mas também em outras indústrias pacíficas - até mesmo no espaço. Agora, a Rosatom e o Instituto Kurchatov estão trabalhando em componentes para um motor de foguete de plasma sem eletrodo para espaçonaves e sistemas para modificação de materiais por plasma. A participação da Rússia no projeto ITER estimula a indústria, o que leva à criação de novas indústrias, que já estão formando a base para novos desenvolvimentos russos.