ITER: Construindo um Sol em Miniatura na Terra

ITER, O Caminho para a Fusão Nuclear

ITER, um acrônimo para International Thermonuclear Experimental Reactor, que também significa “The Way” em latim, é o maior esforço mundial para dominar a geração de energia baseada em fusão nuclear.

O ITER é financiado e administrado por sete partes: a União Europeia (27 países), China, Índia, Japão, Rússia, Coreia do Sul e os Estados Unidos. Também possui acordos de cooperação com Austrália, Canadá, Cazaquistão e Tailândia.

O Reino Unido fazia parte do programa quando estava na UE e interrompeu sua participação em 2023.

Fonte: SciTech Daily

Em teoria, o ITER poderia ser o protótipo e demonstrador experimental para a fusão comercial, abrindo a humanidade a energia praticamente ilimitada e barata.

Isso tornaria tarefas como reverdecer desertos, combater as emissões de CO2 ou tornar a humanidade uma civilização espacial quase triviais.

Portanto, embora possa levar algum tempo para dar frutos, o potencial é tão colossal que pode ser lembrado como um dos megaprojetos mais importantes já criados.

Fusão Nuclear

Energia Ilimitada

Nuclear fusion is different from classical nuclear energy (fission) in that it uses very light elements. Instead of splitting heavy atoms like uranium, it merges together very light atoms, generally hydrogen.

A fusão nuclear difere da energia nuclear clássica (fissão) porque utiliza elementos muito leves. Em vez de dividir átomos pesados como o urânio, ela funde átomos muito leves, geralmente hidrogênio.

Isso teoricamente torna a fusão nuclear uma fonte de energia ilimitada, já que o hidrogênio é a forma de matéria mais comum no Universo.

Esse processo produz enormes quantidades de energia, resultando em 3 a 10 vezes mais energia que a fissão nuclear e sendo a fonte de energia que alimenta as estrelas.

Fonte: Nature

Um grama de mistura de combustível deutério‑trítio no processo de fusão nuclear equivale a 11 toneladas de carvão. O consumo de energia de toda a vida de uma pessoa poderia ser coberto por pouco mais que uma garrafa de combustível na mão.

Vantagens da Fusão Nuclear

Não só a fusão nuclear fornece muita energia, mas também possui alguns benefícios chave que nenhuma outra fonte de energia pode reivindicar:

• O deutério é tão abundante nos oceanos e águas superficiais da Terra que é essencialmente ilimitado e igualmente acessível a todas as nações.
• A reação nuclear não produz resíduos radioativos, apenas hélio quimicamente inofensivo.
  • Nenhum CO2 ou outros produtos ambientalmente nocivos são criados pela reação também.
• Como não produz urânio enriquecido, plutônio ou outros materiais radioativos, a fusão nuclear não traz risco de proliferação nuclear (material de grau de arma nuclear).
  • Isso tornaria a adoção da fusão nuclear uma tecnologia neutra, sem as restrições impostas à tecnologia nuclear de fissão.
• Nenhum risco de derretimento ou reação em cadeia fora de controle. A reação é tão difícil de manter que qualquer falha levaria imediatamente à interrupção do plasma e à interrupção da reação nuclear e da produção de energia.
• Se for auto‑sustentável e altamente positiva em energia, espera‑se que a fusão nuclear seja tão barata ou mais barata de operar que as usinas nucleares baseadas em fissão.
  • Mais progresso tecnológico e economia de escala ao construir repetidamente o mesmo design de reator devem reduzir os custos ao longo do tempo.

A Fusão é Difícil

Considerando tudo isso, por que ainda não alimentamos a civilização humana com fusão nuclear?

Bem, a questão é que a fusão nuclear é difícil de alcançar. Os núcleos dos átomos de hidrogênio têm carga elétrica positiva e naturalmente se repelem. Portanto, pode ser muito difícil aproximá‑los o suficiente para a fusão, como duas ímanes ultra‑fortes se repelindo.

Na natureza, somente a gravidade esmagadora de uma estrela inteira é suficiente para aproximar os átomos de hidrogênio a ponto de desencadear a fusão. Mesmo algo tão grande quanto Júpiter ainda é “pequeno demais” para isso. Portanto, fazer os átomos de hidrogênio se aproximarem na Terra é muito, muito difícil.

No entanto, isso já foi feito, e foi alcançado pela primeira vez por uma máquina de fusão na década de 1950. Essas máquinas demonstraram a viabilidade de criar fusão, mas não retornaram energia suficiente comparada à energia usada para iniciá‑la.

(Técnicamente, a fusão nuclear em larga escala foi alcançada já em 1952 com a primeira bomba termonuclear, mas isso dificilmente é uma técnica utilizável para criar um suprimento de energia seguro).

Outro problema da fusão é que o plasma de fusão nuclear é extremamente quente, geralmente acima de 100 milhões de graus Celsius. Portanto, precisa ser perfeitamente contido, ou derreterá o reator.

Devido a todos esses problemas a serem resolvidos, a fusão nuclear tem sido um campo de progresso lento, com o comentário sarcástico, “A fusão está sempre 30 anos no futuro”.

Fazendo a Fusão Acontecer na Terra

Cientistas têm conseguido fusão nuclear em reatores experimentais por muitos anos. Dois designs principais são usados:

• Um depende de lasers, concentrando uma enorme quantidade de energia para atingir uma pequena pastilha de hidrogênio e desencadear a fusão.
• O outro usa uma máquina em forma de donut chamada tokamak e ímanes ultra‑potentes para conter e comprimir o hidrogênio em um plasma auto‑ignição.

O problema da fusão é que criar as condições corretas com dezenas de milhões de graus consome muita energia. Portanto, mesmo que consigamos fazê‑la acontecer, a reação de fusão tende a não produzir energia suficiente de volta e acaba sendo um consumidor líquido de energia.

Os plasmas também são muito instáveis, então é difícil manter a reação de fusão por mais de alguns segundos.

O primeiro tokamak foi construído em 1958, e eles são considerados os designs mais prováveis de conseguir sustentar a fusão por vários minutos, ou idealmente horas, e produzir retornos energéticos positivos.

Fonte: DOE

O ITER é um design de tokamak e será o maior reator de fusão nuclear já criado, com 10 vezes o volume de plasma do maior até agora (JT-60SA no Japão) com 830 metros cúbicos (29.000 pés cúbicos).

Fonte: ITER

Cronologia do ITER

O ITER é o herdeiro do International Tokamak Reactor, ou INTOR, uma colaboração entre o Ocidente & Japão e a União Soviética iniciada em 1978.

A colaboração persistiu mesmo no auge da Guerra Fria. O primeiro objetivo foi decidido em 1992, e as primeiras Atividades de Projeto de Engenharia (EDA) foram concluídas em 1998, com um design validado em 2001.

Uma discussão acalorada sobre o design final, qual país financiaria o quê, bem como onde o reator deveria ser construído, atrasou o projeto por um tempo, até que o local de Cadarache, na França, fosse escolhido em 2005.

Fonte: Wikipedia

Nesse intervalo, China e Coreia do Sul juntaram‑se ao projeto em 2003 e a Índia em 2005. O trabalho de construção inicial começou em 2007.

A montagem da máquina começou em 2020, com a instalação da base criostato de 1.250 toneladas em maio de 2020. O trabalho civil (construção) do local foi concluído em 2023.

O fechamento do criostato deve ser concluído até 2033. A energia magnética total deve ser alcançada até 2036, e o início da fase de operação de deutério‑trítio em 2039.

Orçamento do ITER

O orçamento inicial do ITER foi previsto como “apenas” €6 bi em custos de construção, mas como costuma acontecer com projetos megascientíficos, disparou para uma estimativa atual de $25.2 bilhões, enquanto outra estimativa do Departamento de Energia dos EUA coloca em $65 bi, algo que o ITER negou veementemente.

O projeto gerou até agora 34.000 “anos‑trabalho” e gerará mais 74.000 anos‑trabalho antes da conclusão da construção.

Objetivos do ITER

Quanto maior a câmara de plasma, mais provável é que seja estável o suficiente para produzir retornos energéticos positivos.

Mas, claro, quanto maior ela, mais cara e complexa se torna.

O objetivo declarado para o ITER é alcançar uma produção de energia térmica 10 vezes maior que a potência térmica injetada. O pulso de fusão deve durar até 8 minutos.

Combinados, isso significaria a criação de 500 MW de calor em apenas 400‑6000 segundos. Deve alcançar até 150 milhões °C, ou 10 vezes a temperatura no núcleo do Sol.

Para alcançar esses resultados, o ITER precisará atingir um chamado “plasma em queima”, onde mais da metade da energia recebida pelo plasma provém de reações de fusão (em vez de estímulos externos). O plasma em queima é imprescindível para qualquer usina comercial de energia positiva que use fusão nuclear.

A geração de energia do ITER não será convertida em eletricidade, pois este é um demonstrador tecnológico, e converter esse calor em energia é uma tecnologia bem conhecida já rotineiramente usada em usinas nucleares de fissão comerciais que utilizam urânio.

Outro objetivo do reator é testar em condições reais tecnologias‑chave que ainda não foram comprovadas, como ímanes supercondutores, manipulação remota (manutenção por robô), blindagem de nêutrons, conversão de calor e o conceito de produção de trítio (ver abaixo).

Reatores DEMO de Fusão

O ITER seria seguido pela classe DEMO de reatores, reutilizando o design do ITER (com possíveis melhorias a partir do feedback experimental), e estes formariam a 1^ª geração de usinas comerciais de energia de fusão nuclear.

Espera‑se que os reatores DEMO produzam de 300 a 500 megawatts de eletricidade líquida a ser entregue à rede.

Entre os principais projetos demo estão:

• China: O Reator de Teste de Engenharia de Fusão Chinês (CFETR) foi projetado em 2020, e deve ser construído até 2040.
• Europe: A usina DEMO deve ser construída até 2050. Um precursor deste projeto será a construção de uma fonte de nêutrons volumétrica baseada em plasma (VNS) para testar as tecnologias consideradas para o DEMO.
• Japan: JA-DEMO, a ser concluído nas décadas de 2040‑2050, terá como objetivo geração de energia estável acima de várias centenas de MW e produção de fusão de 1500 MW ou mais.
• South Korea: K-DEMO será construído após 2050, precedido por um DEMO Virtual (V‑DEMO) baseado em supercomputação, inteligência artificial e tecnologia de gêmeos digitais.
• Russia: DEMO‑RF deve ser construído até 2055. Também está sendo considerada uma instalação híbrida fusão‑fissão.
• India: o país focará primeiro em uma planta piloto de fusão de 200‑300 MW antes de construir um reator DEMO.
• USA: O DOE dos EUA ainda está considerando os próximos passos, incluindo parcerias com empresas privadas para as etapas posteriores ao ITER.

Produção de Trítio

Como um projeto na vanguarda da ciência, há muitos conceitos que precisam ser demonstrados experimentalmente.

Um crítico é a produção de trítio, já que o design do ITER depende da fusão de deutério e trítio (ambos isótopos do hidrogênio).

Fonte: Climate & Hope

Deutério‑deutério seria ideal, já que o deutério é um elemento naturalmente presente, mas isso tornaria a fusão artificial muito mais difícil devido a temperaturas ainda mais altas exigidas.

O problema é que o trítio não existe na natureza e precisa ser produzido artificialmente em usinas nucleares (20 kg por ano globalmente). Mas o ITER consumiria toda a produção de trítio da Terra.

De qualquer forma, futuros reatores de fusão nuclear não teriam trítio suficiente para produzir energia, já que cada reator de fusão exigiria de 100 a 200 quilogramas por ano.

Portanto, o trítio precisa ser produzido diretamente dentro do reator. Essa é a função da “cobertura de produção de trítio”.

Esta cobertura de 600 m² nas paredes do reator, contendo lítio, tem a dupla tarefa de gerar energia quando atingida por nêutrons (a base para a futura produção de eletricidade) e também produzir trítio através da quebra dos átomos de lítio.

Fonte: C&EN

Deve‑se notar que elementos intermediários como o berílio garantem que pelo menos 1 trítio seja “regenerado” para cada reação de fusão nuclear, multiplicando o número de nêutrons.

No total, 6 diferentes sistemas de produção de trítio serão testados no ITER para determinar a estrutura material ideal, sistemas de resfriamento, lítio líquido vs sólido, método de extração de lítio, etc.

Design do ITER

O Prédio em Si

Embora a parte interessante da engenharia do ITER esteja na tecnologia avançada usada para a fusão nuclear, o próprio prédio é massivo e abriga não apenas elementos de alta tecnologia, mas também todas as estruturas de suporte, fornecimento de energia, sistemas de resfriamento, sistemas de manutenção, etc.

Fonte: ITER

O próprio reator ITER também é massivo, pesando 23.000 toneladas, 3 vezes o peso da Torre Eiffel. No total, 400.000 toneladas repousarão na base inferior do Complexo Tokamak, ou mais que o peso do Empire State Building de Nova Iorque.

Fonte: ITER

Para lidar com tudo isso, cerca de 120.000 metros cúbicos de concreto foram usados durante a fase de obras civis da construção do Complexo Tokamak, com uma grande usina de concreto construída no local para produzir uma ampla variedade de fórmulas de concreto, cada uma adaptada aos requisitos específicos dos edifícios e estruturas do ITER.

O edifício também foi construído com isoladores sísmicos e protegido por uma estrutura de concreto armado classificada para uso nuclear.

Logística & Infraestrutura

Outra questão “básica” do projeto ITER foi a logística de trazer todos os grandes componentes construídos em institutos de pesquisa especializados ao redor do mundo, para o local.

Por exemplo, cada uma das 18 bobinas de campo toroidal em forma de D do Tokamak do ITER pesa 310 toneladas, e os elementos mais pesados, incluindo o veículo de transporte, pesam até 900 toneladas. Portanto, devem ser enviados por mar em vez de por ar.

Em seguida, são transportados por uma estrada especialmente modificada de 104 km (64 milhas), já que alguns dos elementos terão até 33 metros de comprimento (108 pés).

A instalação também exigiu uma extensão de linha de energia de 400 kV e amplas instalações para escritórios, oficinas, armazenamento de equipamentos e conforto.

Fonte: ITER

A própria construção, frequentemente exigindo encaixe em espaços apertados, levou ao design de mais de 100 dispositivos personalizados para a montagem da maquinaria e dos edifícios do ITER.

Fonte: ITER

A montagem do tokamak, com seus mais de 1.000.000 de componentes, foi um projeto em si.

Ímanes Supercondutores

No núcleo da maquinaria do ITER, os ímanes usarão fios supercondutores de nióbio‑estanho (Nb3Sn). No total, serão necessários 100.000 kilômetros (62.000 milhas) desses fios, o suficiente para envolver o equador da Terra duas vezes.

Fonte: ITER

Isso exigiu um enorme esforço de produção industrial. Antes da escala do ITER, a produção global de fios de nióbio‑estanho era de apenas 15 toneladas/ano. China, Europa, Japão, Coreia, Rússia e EUA aumentaram para 150 toneladas/ano.

Plantas de Criogenia & Torre de Resfriamento

Os ímanes supercondutores são supercondutores (sem resistência elétrica) apenas quando ultrafrios. É tão frio que está apenas 4,5 graus Celsius acima do zero absoluto.

Portanto, eles requerem a planta de criogenia, uma instalação do tamanho de um campo de futebol que armazena hélio e nitrogênio para resfriá‑los e converter esses gases em líquidos ultrafrios.

Fonte: ITER

Os 50 toneladas/dia de nitrogênio líquido são usados como pré‑resfriador para a planta de hélio líquido, e o hélio líquido é usado para resfriar os ímanes. Quase 25 toneladas de hélio líquido a menos 269 °C circularão na instalação do ITER durante a operação.

Enquanto o íman precisa estar ultrafrio, a fusão nuclear produzirá uma carga térmica máxima de 1150 MW, que precisa ser evacuada. Essa é a função da torre de resfriamento.

Produtos químicos são injetados para minimizar a corrosão dos tubos e manter o pH desejado da água. Um sistema de geração de ozônio mantém uma injeção contínua de ozônio, que consome material orgânico e impede o crescimento de bactérias.

Edifícios de Conversão de Energia dos Ímanes

Outro sistema que apoia os ímanes, a conversão de energia transforma a energia CA da rede em CC utilizável pelos ímanes supercondutores.

Devido à enorme intensidade da corrente usada, cabos tradicionais não podem ser usados para transportar a energia até os ímanes.

Em vez disso, barras de alumínio revestidas de aço chamadas “busbars” — ativamente resfriadas por fluxo constante de água pressurizada — são usadas. Elas são essencialmente cabos de energia, mas mais grossas que trilhos de trem.

Fonte: ITER

No total, 5 km (3,1 milhas) de busbars bipolares percorrerão o complexo ITER.

Injetores de Feixe Neutro

Uma vez que o suprimento de energia e os ímanes estejam funcionando, o ITER precisa injetar o deutério que alimentará a reação de fusão.

O feixe usará corrente elétrica para acelerar as partículas a velocidades muito altas, e injetará 33 MW dos necessários 50 MW de potência de entrada. Ele então as “neutraliza”, permitindo que passem pelo campo magnético e transmitam sua energia ao plasma.

Isso usará mais de 1 MW de tensão de corrente direta, uma quantidade muito excepcional. Requererá componentes construídos sob medida, indo “além do estado da arte”, e cabendo em um edifício de 11.700 m² (126.000 pés quadrados).

Fonte: ITER

Como este é um componente chave, a Instalação de Teste de Feixe Neutro (NBTF) foi construída em Pádua, Itália. Isso deve ajudar a esclarecer alguns obstáculos técnicos, por exemplo, que o feixe de partículas usado no ITER é muito mais espesso que em experiências anteriores de fusão nuclear.

Neutralizar os íons nessa escala também pode ser difícil, e os resultados reais precisarão ser testados antes de serem instalados no ITER.

Fonte: ITER

Aquecimento por Ciclotron

As outras fontes de calor para atingir o plasma são os sistemas de aquecimento por ciclotron de elétrons e íons. Isso inclui o Aquecimento por Ressonância de Ciclotron de Elétrons (ECRH) e o Aquecimento por Ressonância de Ciclotron de Íons (ICRH).

Eles dependem de ondas eletromagnéticas de alta frequência para criar um efeito de ressonância nas partículas do plasma, transmitindo remotamente energia/calor ao núcleo do reator. O ECRH faz os elétrons ressoarem a 170 GHz, enquanto o ICRH faz os íons do plasma ressoarem entre 40‑55 GHz.

Concorrentes do ITER

O ITER é um projeto tão massivo que muitos dos cientistas envolvidos em seu design inicial provavelmente não estarão presentes para vê‑lo em operação.

Essa ambição também pode ser uma limitação do projeto. Ele se baseia principalmente em designs de tecnologia de fusão do final dos anos 1990 e início dos 2000, carecendo de suposições e escolhas tecnológicas.

Isso ocorre porque, desde então, novos conceitos de fusão surgiram, e várias empresas privadas estão explorando maneiras de tornar a fusão nuclear uma realidade com máquinas muito menos massivas.

Isso até levou alguns críticos do ITER a chamá‑lo de “ultrapassado”. A natureza internacional do ITER, que gera certa burocracia e política interferindo na ciência, também foi descrita como um problema.

Discutimos muitas dessas empresas de fusão (principalmente listadas privadamente), como General Fusion, TAE Technologies, Helion e Lockheed Martin Corporation em nosso artigo “Fusão Nuclear – A Solução de Energia Limpa Definitiva no Horizonte”, que também discute alternativas aos designs de tokamak para alcançar a fusão nuclear.

Entre os potenciais avanços tecnológicos dessas empresas que não estarão presentes no design do ITER, podem ser mencionados:

• Tecnologia de Fusão Alvo Magnetizado (MTF).
• Impressão 3D de componentes de reator.
• Canhão de plasma, talvez mais para propulsão espacial de fusão do que para produção de energia.
• Captura direta de eletricidade do plasma, usando a Lei de Faraday para induzir uma corrente em vez de coletar calor.

Em dezembro de 2024, Commonwealth Fusion Systems (CFS) anunciou que pretende que seu reator ARC gere 400 MW para a rede elétrica da Virgínia, que é suficiente para abastecer 150.000 residências, com início no início da década de 2030 (CFS usa ímanes supercondutores de alta temperatura).

Outras tecnologias também podem ajudar. Uma delas é IA, que pode ser usada para detectar e corrigir a instabilidade do plasma em tempo real.

Outra é materiais supercondutores em temperatura ambiente potenciais, que agora estão mais próximos do que nunca. Isso mudaria radicalmente o consumo de energia de um reator de fusão, tornando seus ímanes muito mais eficientes e confiáveis.

Conclusão

O ITER pode ser um dos empreendimentos mais importantes já realizados pela humanidade, na mesma escala ou talvez ainda mais importante que o programa Apollo.

E enquanto for possível que iniciativas privadas alcancem a fusão comercial antes do ITER, isso também está longe de ser certo.

Se a fusão nuclear é uma tecnologia que requer megareatores para ser energeticamente positiva e economicamente viável, é provável que somente um esforço internacional como o ITER possa alcançá‑la.

Mesmo que falhe, terá desenvolvido a base industrial e treinado o talento científico necessário para encontrar a chave da fusão nuclear através de outras escolhas de design. Portanto, em qualquer caso, dificilmente pode ser considerado um desperdício; especialmente ao considerar o impacto que a energia da fusão nuclear teria sobre a humanidade.

No futuro, podemos esperar que o design semelhante ao ITER seja aprimorado com novas tecnologias, incluindo IA, supercondutores em temperatura ambiente, captura direta de eletricidade, etc.

No entanto, levará mais de uma década antes que o ITER execute seus experimentos, tornando‑o um dos projetos científicos mais aguardados e esperados deste milênio.

Empresa Relacionada ao ITER

Mitsubishi Heavy Industry

Muitos dos componentes construídos para o ITER são únicos, projetados por institutos de pesquisa nuclear. Mas muitos outros foram construídos por líderes industriais nos países participantes, trazendo sua expertise em fabricação e engenharia para o megaprojeto científico.

Um contribuinte importante é a Mitsubishi Heavy Industry.

A empresa tem uma história que remonta a 1884, na construção naval. Mais tarde, começou a fabricar máquinas pesadas, aviões, trens e automóveis.

Em 1995, a Mitsubishi Atomic Power Industry foi integrada ao conglomerado, e construiu 24 reatores no Japão.

Hoje, a principal fonte de receita da empresa são sistemas de energia (nuclear, gás e sistemas a vapor) e logística & térmica (HVAC, motores, turbocompressores). É a número 1 global em turbinas a gás e sistemas de captura de CO₂. Emprega mais de 77.000 pessoas, em 300 localidades ao redor do mundo.

Fonte: Mitsubishi Heavy Industry

A Mitsubishi contribuiu com muitos componentes centrais do ITER, incluindo a bobina de campo toroidal (ímã), o divertor (confinamento do plasma) e os componentes de alto fluxo de calor, incluindo o sistema de aquecimento do plasma.

Fonte: Mitsubishi Heavy Industry

A empresa também planeja desenvolver sua própria tecnologia SMR, bem como um reator rápido (que queima resíduos nucleares) e tecnologias de reatores de gás resfriado a alta temperatura.

Orçamentos de defesa crescentes também devem beneficiar os segmentos aeroespacial e de construção naval da empresa.

Em tecnologia futura, a Mitsubishi está trabalhando na produção de hidrogênio verde e amônia verde, incluindo o primeiro projeto mundial de abastecimento de amônia em Cingapura para alimentar navios e turbinas a gás com amônia em vez de combustível e gás natural.

A captura de carbono também pode ser uma atividade verde em crescimento, assim como o resfriamento de alta eficiência para data centers.

Fonte: Mitsubishi Heavy Industry

No geral, a Mitsubishi Heavy Industry é líder em muitas tecnologias chave para o futuro, especialmente em resfriamento, produção de energia (gás e nuclear) e construção naval, como ilustrado por ter sido escolhida para construir muitos dos componentes mais importantes do ITER.