Fusão nuclear: perspectivas de energia limpa e desafios da comercialização

O Poder das Estrelas

A energia nuclear tem uma reputação controversa. Acidentes como Chernobyl e Fukushima contribuíram para preocupações com segurança e resíduos.

Outras pessoas destacam a alta densidade energética, as baixas emissões de carbono e a capacidade de produzir eletricidade de forma estável.

A energia nuclear provavelmente fará parte de nossa futura matriz energética, inclusive com o desenvolvimento de uma quarta geração de reatores, cujos projetos buscam melhorar a segurança, a eficiência e o aproveitamento do combustível.

Os reatores de potência existentes baseiam-se principalmente na fissão nuclear. Nesse processo, núcleos pesados, como os de certos isótopos de urânio e plutônio, se dividem e liberam energia. O tório-232 pode integrar um ciclo de combustível após ser convertido em urânio-233.

Outra forma de obter energia nuclear é a fusão, na qual núcleos leves se unem para formar núcleos mais pesados.

A fusão sustenta a produção de energia das estrelas, inclusive do Sol. A cada segundo, o Sol transforma cerca de 600 milhões de toneladas de hidrogênio. Mantida essa taxa, o consumo de hidrogênio equivaleria à massa da Terra em aproximadamente 315 mil anos, não 70 mil.

A energia solar, a eólica, a biomassa e, indiretamente, os combustíveis fósseis derivam em grande parte da energia produzida pela fusão no Sol.

Reproduzir uma pequena parte desse processo na Terra poderia oferecer uma fonte muito abundante de energia. O hidrogênio representa cerca de 74 % da massa da matéria comum do Universo, mas os projetos terrestres geralmente dependem de isótopos e ciclos de combustível específicos, não de qualquer hidrogênio disponível.

Fissão vs. Fusão

Ao queimar gás natural ou petróleo, a energia líquida liberada resulta do rearranjo das ligações químicas entre reagentes e produtos. A energia por unidade de massa é muito menor que a obtida em reações nucleares.

Por exemplo, a fissão completa de 1 kg de urânio-235 pode liberar energia comparável à de milhões de quilogramas de carvão. A comparação depende do isótopo, do aproveitamento do combustível e do poder calorífico do carvão. Certas reações de fusão liberam ainda mais energia por unidade de massa.

Pode parecer contraditório obter energia tanto ao dividir núcleos quanto ao uni-los.

A explicação está na energia de ligação por núcleon, que varia entre os núcleos. A fissão de núcleos muito pesados pode produzir fragmentos mais fortemente ligados, liberando a diferença de energia.

Na fusão de núcleos leves, os produtos também podem ter maior energia de ligação por núcleon. A pequena diferença de massa entre reagentes e produtos aparece como energia liberada.

Fonte: Nature

A energia liberada por unidade de massa pode ser várias vezes maior na fusão de determinados combustíveis do que na fissão. Um fator de três a dez depende das reações e das bases de comparação.

A abundância de deutério na água e, em certos ciclos, de lítio para produzir trítio oferece um grande potencial de combustível. Isso não significa energia literalmente ilimitada nem acesso econômico a toda a matéria do Universo.

Gigantes gasosos e outros corpos do Sistema Solar também contêm grandes quantidades de hidrogênio, embora sua extração esteja muito além da infraestrutura atual.

Essas reservas ilustram a escala do potencial energético. O abastecimento real depende dos combustíveis usados, de sua produção e da viabilidade técnica e econômica.

O hélio produzido não é tóxico nem quimicamente reativo. Contudo, a fusão não é automaticamente isenta de resíduos: trítio radioativo e materiais ativados por nêutrons exigem gestão adequada.

A Fusão é Difícil

Por que a fusão ainda não abastece comercialmente a civilização?

Os núcleos de hidrogênio têm carga positiva e se repelem eletricamente. Para que se aproximem o suficiente e ocorra fusão, são necessárias condições adequadas de energia, densidade e confinamento.

Nas estrelas, a gravidade mantém grandes densidades e temperaturas que permitem a fusão. Júpiter não tem massa suficiente para sustentar a fusão de hidrogênio como uma estrela.

Na Terra, é preciso criar essas condições por outros meios, mantendo os núcleos confinados pelo tempo necessário.

Experimentos de fusão controlada existem desde meados do século XX. Produzir reações é diferente de construir um sistema que forneça eletricidade líquida de modo contínuo e econômico.

(Em 1952, o primeiro teste de uma bomba termonuclear demonstrou fusão em grande escala, mas uma explosão não é um método apropriado para gerar eletricidade com segurança).

Muitos conceitos terrestres exigem plasma com temperaturas da ordem de 100 milhões de graus Celsius. A baixa densidade do plasma e o confinamento são fundamentais: as paredes não atingem essa temperatura, mas cargas de calor e instabilidades podem danificar componentes.

A dificuldade desses desafios tornou célebre a frase irônica de que “a fusão está sempre a 30 anos de distância”.

Substituindo a Gravidade

Um desafio recorrente é obter mais energia útil do que a necessária para aquecer, comprimir e confinar o combustível. O ganho de energia no plasma ou no alvo deve ser distinguido do balanço energético de toda a instalação.

Vários métodos são investigados.

Muitos já produziram reações de fusão, mas isso não significa que todos tenham demonstrado um sistema completo com geração líquida de eletricidade.

Tokamaks

Tokamaks usam campos magnéticos para confinar o plasma em uma câmara com formato aproximadamente toroidal, semelhante a uma rosca.

Esse é um dos principais caminhos investigados. Os primeiros tokamaks surgiram nos anos 1950, e o conceito é usado pelo ITER , grande projeto internacional de pesquisa em fusão, com a participação de numerosos países.

Fonte: DOE

O ITER sofreu atrasos consideráveis. A revisão de cronograma anunciada em 2024 apontava experimentos com deutério e trítio para 2039. O ITER é uma instalação experimental e não foi projetado para fornecer eletricidade à rede.

Outros Reatores de Fusão com Ímãs

Além dos tokamaks, há stellarators, spheromaks e outras configurações de confinamento magnético.

No stellarator, bobinas externas complexas produzem um campo magnético torcido. Isso pode favorecer operação prolongada sem depender da mesma corrente de plasma de um tokamak, mas torna o projeto e a fabricação exigentes. Historicamente, essa complexidade também dificultou a simulação computacional e aumentou os desafios de construção.

Spheromaks  são configurações de plasma com correntes que ajudam a sustentar seu próprio campo magnético, diferindo da geometria e do funcionamento de um tokamak.

Toroides compactos  abrangem configurações sem uma bobina central atravessando o plasma. As necessidades de ímãs e de estabilidade variam conforme o conceito.

Lasers

Na fusão por confinamento inercial, lasers aquecem uma pequena cápsula de combustível direta ou indiretamente. A ablação da camada externa comprime o combustível, produzindo por um instante as condições de fusão.

Um exemplo é o National Ignition Facility (NIF), nos Estados Unidos, que concentra até 192 feixes de laser em um alvo minúsculo. A potência de pico pode chegar a cerca de 500 trilhões de watts, mas ocorre durante um pulso muito curto e não representa geração elétrica contínua.

Fonte: Britannica

A fusão inercial é outro caminho importante para possíveis usinas comerciais, ainda com grandes desafios de engenharia.

O confinamento magnético exige controle do plasma, materiais e sistemas magnéticos avançados. A fusão a laser precisa entregar energia com precisão e comprimir o combustível com densidade e simetria suficientes.

Compressão por correntes e alvos magnetizados

Outras abordagens usam correntes elétricas para produzir campos que comprimem o plasma ou combinam magnetização e compressão mecânica, como na fusão de alvo magnetizado (MTF).

Um exemplo de compressão por corrente é o Z-pinch. Outros conceitos comprimem plasma pré-formado com pistões ou outros mecanismos. São abordagens distintas, não apenas diferentes nomes para o mesmo princípio.

Fonte: IEEE

Alguns desses conceitos buscam instalações mais compactas que grandes tokamaks ou sistemas de laser.

Entre as empresas que exploram abordagens alternativas estão General Fusion (GFUZ ) e Helion. General Fusion utiliza compressão mecânica de um alvo magnetizado; Helion desenvolve uma configuração pulsada diferente.

Etapas para a Fusão Comercial

Ganho energético

A fusão continua sendo uma área de pesquisa e desenvolvimento. Ainda é necessário demonstrar desempenho, confiabilidade e custos compatíveis com usinas comerciais.

Experimentos têm melhorado o ganho de energia, mas os números dependem de onde se mede a energia de entrada e a de saída.

Em 2022, pesquisadores do NIF anunciaram queobtiveram mais energia de fusão do que a energia laser entregue ao alvo.

O experimento entregou 2,05 megajoules de laser ao alvo e produziu cerca de 3,15 megajoules de energia de fusão. Esse foi um ganho no alvo, não um balanço positivo de toda a instalação.

Para gerar o pulso de laser, o consumo elétrico da instalação foi da ordem de centenas de megajoules. Além disso, uma futura usina teria perdas na conversão da energia liberada em eletricidade, além de consumo por sistemas auxiliares e necessidade de repetir os disparos.

Ainda assim, a ignição foi um marco científico importante.

Estabilidade do Plasma e Duração da Reação

Uma usina precisará manter ou repetir reações de maneira controlada e remover a energia de forma útil. A autoalimentação do plasma por partículas de fusão, a duração de uma descarga aquecida e a geração líquida de eletricidade são indicadores diferentes.

Um exemplo de progresso no confinamento foi a descarga de plasma de 6 minutos e 4 segundos obtida pelo tokamak WEST, na França, em 2024. O resultado não foi uma reação de fusão autossustentada com geração líquida de energia.

O WEST também ajuda a investigar componentes de tungstênio e sua interação com o plasma. Saiba mais sobre esse metal e oportunidades de investimento no setor em “Tungstênio – O Metal de Alta Tecnologia Secreto”.

Supercondutores Baratos

Ímãs supercondutores podem reduzir o consumo e permitir campos intensos em determinados projetos. Supercondutores de alta temperatura são promissores, mas ainda exigem refrigeração. Não há um supercondutor prático à temperatura ambiente e à pressão ambiente estabelecido para esses reatores. Discutimos o tema em “Progresso na Supercondutividade Abrindo Caminho para uma Nova Revolução Tecnológica”.

IA

Plasma é um estado da matéria com partículas carregadas, cujas propriedades diferem das de sólidos, líquidos e gases. Nos reatores de fusão, sua dinâmica pode gerar instabilidades complexas.

Instabilidades podem prejudicar o confinamento e interromper a operação.

Sensores e sistemas de controle ajustam campos magnéticos e outros parâmetros em tempo real. Modelar e controlar essa dinâmica rapidamente é um desafio computacional.

Isso pode mudar, graças ao progresso em IA, como relatamos em um artigo recente. O trabalho discutido mostrou previsão de determinadas instabilidades com até cerca de 300 milissegundos de antecedência em condições experimentais.

“Não precisamos mais esperar que as instabilidades ocorram e então tomar uma ação corretiva rápida antes que o plasma seja interrompido.”

Segurança

A fusão não depende de uma reação em cadeia autossustentada como a de fissão. Se as condições de confinamento e temperatura forem perdidas, a reação tende a parar. Isso reduz certos riscos, mas não elimina todos os perigos de uma instalação.

Entre os desafios de segurança estão:

• Muitos projetos usam deutério e trítio. O trítio é radioativo, exigindo sistemas de contenção, monitoramento e recuperação; as consequências de uma liberação dependem da quantidade e das condições.
• Instabilidades do plasma, campos magnéticos, criogenia, altas tensões e fluxos intensos de calor exigem medidas de segurança e engenharia adequadas.
• Reações deutério–trítio produzem nêutrons intensamente, não apenas ocasionalmente. Esses nêutrons danificam e ativam materiais das paredes. A quantidade e a duração dos resíduos dependem dos materiais e do projeto, e precisam ser consideradas ao longo da vida útil.

Tópicos Afins

Propulsão Espacial por Fusão

Além da produção de eletricidade, a fusão é estudada como possível tecnologia de propulsão espacial.

A alta energia específica do combustível pode permitir sistemas de propulsão com desempenho superior ao de alternativas químicas em certas missões.

Em teoria, alguns conceitos poderiam reduzir o tempo de viagem e a massa de combustível. Segurança, blindagem, dissipação de calor e obtenção dos isótopos adequados continuam sendo questões centrais.

Construir um sistema suficientemente pequeno, leve e confiável para uma nave pode ser difícil mesmo depois de uma demonstração terrestre.

Uma fusão comercialmente viável poderia ampliar as perspectivas de uma economia baseada no espaço (que discutimos com e sem fusão em nosso artigo aqui), mas não transformaria automaticamente e de imediato a humanidade em uma civilização espacial.

Fusão Fria

Fusão fria é uma hipótese controversa de obtenção de reações nucleares em materiais a temperaturas relativamente baixas, sem as condições habituais de um plasma termonuclear.

Algumas propostas investigam hidrogênio ou deutério em redes metálicas, como paládio, érbio e titânio. Isso não equivale a demonstrar que a simples deformação do metal produz energia útil por fusão.

Em 1989, Stanley Pons e Martin Fleischmann anunciaram resultados que interpretaram como fusão. A falta de reprodução independente convincente desses resultados gerou controvérsia, críticas metodológicas e acusações de conduta inadequada.

Uma pequena comunidade continuou a investigar o tema sob nomes como reações nucleares de baixa energia (LENR), ciência nuclear da matéria condensada (CMNS) e reações nucleares assistidas quimicamente (CANR).

Na década de 2020 houve novas iniciativas de pesquisa. A agência americana ARPA-E anunciou em 2023 um conjunto de subsídios para financiar grupos de pesquisa que investigam reações nucleares de baixa energia (LENR). Separadamente, pesquisadores da NASA publicaram em 2020 experimentos de fusão em redes metálicas com deutério e uma fonte externa de fótons energéticos. Esses experimentos não demonstraram uma usina de fusão fria nem produção líquida de energia sem alimentação externa.

A fusão fria continua incerta e sem uma tecnologia comercial estabelecida. Pesquisas bem controladas e reprodução independente são necessárias para avaliar qualquer alegação.

Fusão por Bolhas

Outra proposta investiga se o colapso de bolhas por cavitação acústica pode contribuir para reações de fusão, fenômeno às vezes chamado de sonofusão.

A cavitação pode produzir condições locais intensas. Entretanto, observar sonoluminescência — emissão de luz durante o colapso de bolhas — não prova fusão nuclear. Sua explicação não exige, por si só, uma reação nuclear.

A ideia é tão controversa quanto a fusão fria, com seu principal promotor amplamente criticado.

Novos experimentos continuam a investigar a hipótese, mas alegações anteriores controversas não foram transformadas em uma fonte de energia estabelecida.

Em maio de 2024, um artigo intitulado “Observação da emissão de nêutrons durante cavitação acústica de pó de titânio deuterado” foi publicado em Scientific Reports, periódico da Nature Portfolio, e não na revista Nature. Os autores relataram emissões de nêutrons durante cavitação de pó de titânio deuterado e gotas de água pesada dispersos em óleo mineral, propondo uma hipótese de origem nuclear.

Segundo os autores, as emissões foram observadas por várias horas e em repetidos ensaios. Eles atribuíram hipoteticamente os nêutrons à fusão de deutério na rede do titânio sob a ação mecânica dos jatos de cavitação.

O relato exige avaliação crítica e reprodução independente. Ele não demonstrou uma usina, balanço energético positivo ou uma descoberta comercial de “fusão fria por bolhas”. Uma correção publicada em julho de 2024 tratou das informações de financiamento.

Entrada do setor privado

A pesquisa em plasma e fusão cresceu principalmente com programas públicos e acadêmicos.

Há também uma relação histórica com a pesquisa de armas nucleares. O NIF foi desenvolvido sobretudo para estudar física de alta densidade de energia e apoiar a manutenção segura do arsenal sem novos testes explosivos, além de contribuir para a pesquisa de ignição.

Como os retornos comerciais eram distantes e incertos, governos e instituições acadêmicas sustentaram grande parte do trabalho inicial.

O investimento privado aumentou com a convergência de fatores como:

1. Décadas de experiência no setor criaram um grande corpo de conhecimento de acesso gratuito e cientistas treinados que podem trabalhar para empresas comerciais.
2. Maior interesse de investidores por projetos de alto risco e potencial transformador. Fusão e mineração de asteroides são exemplos ambiciosos, mas nenhuma delas garante resolver permanentemente a escassez de energia ou de matérias-primas.
3. Mudanças climáticas, segurança energética e geopolítica elevam o interesse por fontes abundantes e com baixas emissões de carbono.

Uma nova onda de empresas privadas tenta desenvolver projetos próprios e métodos alternativos, inspirada em avanços como os da SpaceX (SPCX ) na reutilização de foguetes. A analogia não garante que a fusão seguirá o mesmo ritmo de comercialização.

Empresas de Fusão

Em 2024, muitas empresas dedicadas à fusão ainda não tinham ações negociadas em bolsa. General Fusion passou a ser negociada na Nasdaq em julho de 2026, conforme o ticker dinâmico mostrado acima. Entre as empresas do setor estão Helion, General Fusion, Commonwealth Fusion Systems, TAE Technologies, ZAP Energy e NEO Fusion. Uma lista mais extensa de startups de fusão está disponível na página da Dealroom.

1. General Fusion

General Fusion é uma das empresas que procuram transformar pesquisa de fusão em um empreendimento comercial.

A empresa foi fundada em 2002 para desenvolver a fusão de alvo magnetizado (MTF).

A empresa considera a MTF um caminho potencialmente mais compacto e econômico. Em 2010, comissionou um injetor de plasma toroidal em escala relevante para seu conceito, e relata outros marcos desde então.

Fonte: General Fusion

Em seu planejamento divulgado em 2024, a empresa pretendia atingir 100 milhões de graus Celsius em 2025 e avançar para o equilíbrio energético do plasma em 2026. Eram metas de desenvolvimento, não resultados já obtidos nem uma promessa de eletricidade líquida. Antes disso, um modelo com um quinto da escala foi testado em 2023, com desempenho que a empresa afirmou ser compatível com simulações.

General Fusion desenvolveu e testou progressivamente componentes do seu sistema. Validar componentes não equivale a demonstrar uma usina completa.

Uma empresa pode decidir mudanças de projeto de forma diferente de um consórcio internacional como o ITER. Ainda assim, precisa de financiamento, fornecedores e validação técnica.

Fonte: General Fusion

Essa flexibilidade alimenta expectativas de avanço por empresas privadas. O sucesso de um modelo empresarial, porém, precisa ser demonstrado na prática.

2. Lockheed Martin Corporation

Uma empresa de capital aberto que participou de pesquisa em fusão é a Lockheed Martin Corporation (LMT ), uma grande companhia do setor de defesa.

Desde o início da década de 2010, a Lockheed trabalhou no projeto Compact Fusion, para o qual havia divulgado cronogramas ambiciosos. O trabalho foi posteriormente descrito como encerrado em 2021.

Após anúncios iniciais amplos, a empresa divulgou poucos detalhes. Não há informação pública suficiente para atribuir o encerramento a uma única causa técnica.

A companhia manteve interesse em aplicações relacionadas, notavelmente com investimentos em 2024 na Helicity, uma startup que desenvolve um motor de fusão.

A Helicity Space desenvolve um conceito de propulsão que usa pulsos de plasma e compressão para produzir fusão. Há elementos de formação de plasma em comum com outras pesquisas, mas o projeto não é idêntico ao da General Fusion.

Sem dados públicos completos, não é possível concluir que resultados internos específicos tenham provado a inviabilidade do antigo projeto da Lockheed.

Propulsão pulsada e geração elétrica contínua têm requisitos diferentes. Isso pode tornar algumas aplicações espaciais interessantes para uma empresa aeroespacial, embora ainda exijam demonstração.

3. TAE Technologies

A TAE Technologies, antes chamada Tri Alpha Energy, desenvolve tecnologia de fusão na Califórnia. No planejamento de 2024, pretendia avançar da plataforma Norman para a máquina Copernicus.

Fonte: TAE

A TAE usa injeção de feixes de partículas neutras para fornecer energia e ajudar a sustentar o plasma. A comparação com um “espessante” é figurativa, não uma adição química ao combustível.

A empresa também utiliza fabricação aditiva no desenvolvimento de componentes, permitindo iterações rápidas e, em determinados casos, peças mais leves que as obtidas por métodos convencionais.

Fonte: TAE

No cronograma então divulgado, a TAE esperava avançar para um protótipo de usina no início da década de 2030 e desenvolver a comercialização ao longo da década. Essas previsões dependiam de metas científicas e de engenharia. Seu CEO, Michl Binderbauer, descreveu o objetivo como um “paradigma de abundância”.

A empresa descreve sua captação como orientada por marcos de desenvolvimento, associando rodadas de investimento ao progresso demonstrado.

Em 2022, Google e Chevron (CVX ) participaram de uma rodada de 250 milhões de dólares da TAE. O Google também colaborou em computação e métodos de inteligência artificial.

O grupo também atua em serviços de ciências da vida  por meio da terapia por captura de nêutrons pelo boro (BNCT), e em soluções de energia como baterias e e-mobilidade.

4. Helion

A Helion busca um ciclo de combustível com deutério e hélio-3, diferente do foco mais comum em deutério–trítio.

A empresa pretende produzir hélio-3 a partir de reações com deutério em seu próprio sistema. A disponibilidade limitada desse isótopo é um desafio, mas não torna a mineração lunar a única alternativa.

A Helion utiliza formação, aceleração, colisão e compressão de plasmas em um sistema pulsado. As empresas privadas não usam todas exatamente o mesmo método de injeção de plasma.

Outro objetivo é recuperar energia elétrica diretamente das mudanças do campo magnético associadas ao plasma, por indução eletromagnética, em vez de depender apenas de um ciclo térmico com turbinas a vapor.

A recuperação direta pode evitar parte das perdas e dos equipamentos de conversão térmica. Uma melhora fixa de duas a três vezes na eficiência da usina, porém, não está demonstrada apenas por esse princípio.

A Helion projeta custos baixos de combustível e operação e menor necessidade de grandes turbinas e torres de resfriamento. Essas são expectativas da empresa para um sistema futuro, não custos comerciais já comprovados.

No estágio descrito em 2024, a plataforma experimental da empresa era Trenta, sua sexta geração, que a Helion afirmou ter operado por mais de 10 mil pulsos e alcançado temperaturas de 100 milhões de graus Celsius. Esses resultados não são uma demonstração de geração elétrica líquida.

Fonte: Helion

O passo seguinte era Polaris, projetado para operar com pulsos de frequência muito maior que os de Trenta e buscar demonstração de eletricidade líquida. O aumento de frequência é uma meta de engenharia, não uma comprovação antecipada de ganho elétrico.

A empresa apresentou Polaris como um sistema de cerca de 19 metros de comprimento, relativamente compacto em comparação com algumas grandes instalações experimentais de fusão.