Alimentando o Futuro com Metais do Dia a Dia

A energia de fusão tem recebido atenção crescente. Por trás da pesquisa sobre futuros reatores, metais conhecidos como tungstênio, cobre e lítio desempenham funções importantes. Suas propriedades ajudam no desenvolvimento, embora a geração comercial de eletricidade por fusão ainda precise ser demonstrada.

Tokamak WEST com componentes de tungstênio mantém plasma por seis minutos

Em um experimento divulgado em 2024, o dispositivo francês WEST manteve um plasma quente a cerca de 50 milhões de graus Celsius por seis minutos, com 1,15 gigajoule de energia fornecida ao sistema. Trata-se de energia de aquecimento injetada, não de produção líquida de eletricidade. O resultado demonstrou avanços na duração e no controle do plasma.

WEST é operado pela Comissão Francesa de Energias Alternativas e Energia Atômica, CEA. A instalação participa do programa CICLOP da AIEA, voltado aos desafios da operação prolongada. O Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), do Departamento de Energia dos Estados Unidos, mantém uma parceria de longa data com o WEST e o CICLOP.

“Precisamos fornecer uma nova fonte de energia, e a fonte deve ser contínua e permanente. Estes são resultados magníficos. Alcançamos um regime estacionário apesar de estarmos em um ambiente desafiador devido a esta parede de tungstênio.”

– cientista do CEA e presidente do CICLOP Xavier Litaudon

Noções Básicas de Fusão

Fusão alimenta o Sol e as estrelas. Na fusão, núcleos atômicos leves se unem e liberam energia. Na pesquisa com confinamento magnético, o combustível é aquecido até formar um plasma, no qual núcleos suficientemente energéticos podem superar sua repulsão elétrica e se fundir.

Tokamaks usam campos magnéticos para confinar plasma em uma câmara toroidal. Uma futura usina precisará gerar mais energia útil do que toda a instalação consome. A pesquisa busca uma fonte de baixas emissões durante a operação, mas ainda enfrenta desafios de materiais, combustível, engenharia e viabilidade econômica.

Manter as condições necessárias por tempo suficiente é um grande desafio. O plasma deve ser aquecido a temperaturas muito elevadas e permanecer estável. Materiais das paredes influenciam as impurezas no plasma e a retenção de combustível. Como o carbono pode reter combustível em excesso, alternativas metálicas estão sendo exploradas.

Paredes de Tungstênio do WEST: Um Avanço Relevante para Reatores

WEST é revestido com tungstênio em componentes expostos ao plasma. O metal retém menos combustível que o carbono. Contudo, mesmo pequenas quantidades de tungstênio que entrem no plasma podem causar forte resfriamento por radiação. Luis Delgado-Aparicio, do PPPL, explica:

“O ambiente de parede de tungstênio é muito mais desafiador do que usar carbono. Isso é, simplesmente, a diferença entre tentar pegar seu gatinho em casa versus tentar acariciar o leão mais selvagem.”

A longa descarga representa um avanço na operação com materiais relevantes para reatores. A duração deve ser avaliada junto com temperatura, densidade, aquecimento e controle de impurezas; isoladamente, ela não demonstra uma usina comercial de fusão.

Diagnóstico Inovador de Raios X Permite Avanço

O disparo que estabeleceu o recorde foi diagnosticado com um sistema de imagem de raios X desenvolvido pelo PPPL a partir de detectores da DECTRIS. A câmera de raios X de baixa energia com resolução em diferentes faixas energéticas, ME-SXR, foi adaptada para estudar as propriedades do plasma.

“O grupo de raios X do Departamento de Projetos Avançados do PPPL está desenvolvendo todas essas ferramentas inovadoras para tokamaks e stellarators ao redor do mundo.”

– Delgado-Aparicio, chefe de projetos avançados do PPPL

O ME-SXR registra raios X em diferentes faixas de energia. Essas medições fornecem informações sobre temperatura eletrônica e impurezas no núcleo do plasma, ajudando os pesquisadores a distinguir sinais relevantes de interferências.

Comparando a intensidade da radiação em diferentes energias, os pesquisadores determinam a temperatura eletrônica e estimam a concentração de tungstênio. Isso ajuda a aperfeiçoar a operação prolongada com paredes metálicas. Segundo o coordenador do WEST, Rémi Dumont:

“Este sistema específico é o primeiro desse tipo com discriminação de energia. É espetacular. Graças a essas novas medições, teremos a capacidade de medir o tungstênio dentro do plasma e entender o transporte de tungstênio da parede para o núcleo.”

Resultados Recordes Abrem Portas para o Desenvolvimento de Reatores

A equipe do PPPL analisou a temperatura eletrônica no núcleo durante a descarga de seis minutos. O valor de 4–4,5 quiloelétron-volts, aproximadamente 50 milhões de graus Celsius, expressa uma energia usada para caracterizar a temperatura do plasma. A unidade correta é keV, não quilovolts.

Essas descobertas foram corroboradas por simulações avançadas de cientistas do CEA. Segundo Litaudon:

“Esta câmera com resolução em energia abrirá um novo caminho de análise. Com esses instrumentos de diagnóstico, podemos compreender o problema e investigar sua física por meio de medições e simulações.”

PPPL e WEST estão buscando melhorar ainda mais o controle de temperatura e impurezas de tungstênio para possibilitar operações ainda mais longas e estáveis. Além disso, o PPPL está compartilhando sua tecnologia ME-SXR com tokamaks ao redor do mundo para acelerar a pesquisa relevante para reatores. 

“O ME-SXR é apenas parte de uma contribuição mais global de diagnósticos do PPPL para o CEA/WEST. Essa colaboração nos ajuda muito. Com essa combinação de diagnósticos, seremos capazes de realizar medições muito precisas no plasma e controlá-lo em tempo real.”

– Dumont 

Metais do Dia a Dia Impulsionando a Fusão: Tungstênio, Cobre, Lítio

Enquanto o plasma recebe os holofotes, o futuro da fusão também depende de seus componentes mais tangíveis. Três metais estão se mostrando essenciais: tungstênio, cobre e lítio.

O tungstênio tem ponto de fusão de cerca de 3.422 °C, o mais alto entre os metais. Isso favorece seu uso em componentes sujeitos a forte carga térmica, mas as paredes ainda precisam de proteção e resfriamento; elas não atingem a temperatura do plasma. A Xiamen Tungsten Co., Ltd., da China, é uma produtora de tungstênio e outros materiais listada na Bolsa de Xangai.

Em 2023, a Xiamen Tungsten registrou receita de aproximadamente 39,398 bilhões de yuans, queda de 18,30%, e lucro líquido atribuível aos acionistas de aproximadamente 1,602 bilhão de yuans, alta de 10,75%. Sua ampla atuação em materiais significa que os resultados não dependem apenas de possíveis aplicações futuras em fusão.

O cobre é usado em componentes elétricos e térmicos graças à sua elevada condutividade. Exemplos incluem barramentos, trocadores de calor e partes de sistemas magnéticos. Os materiais necessários variam conforme o projeto do reator.

Freeport-McMoRan Inc. (FCX), (FCX ) uma grande produtora americana de cobre de capital aberto, registrou em 2023 receita de US$ 22,855 bilhões e lucro líquido atribuível às ações ordinárias de US$ 1,848 bilhão. Redes elétricas, energia renovável e veículos elétricos podem ampliar a demanda, mas preços dos metais, custos e investimentos também afetam os resultados.

O lítio é o metal mais leve. Em futuros reatores de deutério–trítio, nêutrons podem reagir com lítio em um manto reprodutor para produzir trítio. Essa função nuclear difere de seu papel eletroquímico nas baterias. A Albemarle Corporation (ALB) (ALB ), uma importante produtora de lítio, registrou receita anual recorde de US$ 9,62 bilhões em 2023, um aumento de 31% em relação ao ano anterior.

As vendas em volume da unidade de Armazenamento de Energia da Albemarle aumentaram 35% em 2023, enquanto a queda dos preços do lítio pressionou o negócio no fim do ano. A ampliação de capacidade e o processamento contratado contribuíram para o crescimento anual. Preços, demanda e custos continuam sendo fatores importantes para o desempenho.

Se a fusão comercial ganhar escala, a demanda por alguns metais poderá crescer. O prazo e a magnitude são incertos, e atualmente outros mercados respondem pela maior parte da demanda. O potencial da fusão não garante aumento de lucros ou valorização das ações dessas produtoras.

Parcerias Pioneiras Impulsionam o Progresso

A colaboração reúne a experiência do CEA em operação de tokamaks, os diagnósticos de plasma do PPPL e a tecnologia de detectores da DECTRIS. O WEST é uma importante instalação experimental para estudar descargas prolongadas com componentes de tungstênio.

A DECTRIS, líder mundial em detectores de raios X, forneceu a tecnologia central que o PPPL adaptou ao inovador ME-SXR. Segundo o Diretor de Vendas da DECTRIS, Nicolas Pilet:

“A comunidade de fusão de plasma foi uma das primeiras a testar a tecnologia híbrida de contagem de fótons para monitorar a dinâmica do plasma. Estamos extremamente orgulhosos de contribuir com esse desenvolvimento com nossos produtos e entusiasmados com nossa excelente colaboração.”

O resultado também contribui para o CICLOP, programa da AIEA que coordena pesquisas sobre operação prolongada do plasma. Compartilhar conhecimentos e recursos ajuda a enfrentar limitações à estabilidade e à duração das descargas. Litaudon disse:

“Este marco representa um passo importante em direção aos objetivos do programa CICLOP. O trabalho do PPPL no WEST é um excelente exemplo.”

No Caminho para Energia de Fusão Limpa

A longa descarga do WEST demonstra avanços em controle e diagnóstico com materiais relevantes para reatores. Ela não comprova, por si só, que as condições de uma usina prática foram alcançadas. Ferramentas como o ME-SXR ajudam a investigar as limitações restantes.

Uma usina viável exige mais que descargas longas: temperatura, densidade e confinamento energético adequados, materiais duráveis, abastecimento de combustível e extração de calor eficiente. A operação contínua ou em pulsos repetidos também precisa ser técnica e economicamente sustentável.

A fusão poderá contribuir para uma oferta de energia com baixas emissões durante a operação. Isso poderia ajudar a mitigar as mudanças climáticas, melhorar a segurança energética e complementar outras fontes de energia. Como mostram o WEST e o CICLOP, a colaboração internacional ajuda a enfrentar os desafios científicos e de engenharia ainda existentes.

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