Vasos de Fusão Esféricos e Maionese – Reimaginando Nossas Necessidades Futuras de Energia

A energia de fusão é tão antiga quanto o nosso sistema cósmico. Ela alimenta o sol e as estrelas. No entanto, sua aplicação em nosso planeta ainda é experimental.

De acordo com um relatório de meados de julho, os investimentos no campo aumentaram mais de US$ 900 milhões este ano, chegando a cerca de US$ 7,1 bilhões. No entanto, especialistas acreditam que o crescimento dos investimentos ainda não é suficiente. É inferior ao aumento de US$ 1,4 bilhão alcançado no ano passado e US$ 2,8 bilhões em 2022.

De acordo com Andrew Holland, chefe da Fusion Industry Association:

O crescimento observado nos últimos 12 meses é positivo, mas não será suficiente para alcançar as ambiciosas metas da fusão.

Como em qualquer outro setor, o crescimento só pode ser alcançado por meio da inovação. Hoje, exploraremos uma dessas inovações eficientes e cruciais — destinada a eliminar a necessidade de um solenóide de aquecimento ôhmico — que pode ser o motor de design mais impactante na realização de sistemas de reatores de fusão tokamak econômicos e compactos.

Mas antes de aprofundar a pesquisa e suas ramificações, devemos ter uma breve visão geral de como funciona a ciência da energia de fusão e o papel que os sistemas tokamak desempenham nela.

A Ciência da Energia de Fusão e os Sistemas Tokamak

É um campo multidisciplinar da ciência que visa desenvolver uma fonte de energia baseada em fusão controlada. O princípio básico da fusão envolve a combinação de dois núcleos para formar um núcleo.

Em um nível mais prático, a fusão na Terra envolve criar condições que resultam na geração de plasmas sustentados, que são gases tão quentes que os elétrons se libertam dos núcleos atômicos. Os pesquisadores utilizam campos elétricos e magnéticos para controlar a coleção resultante de íons e elétrons, pois possuem cargas elétricas. O mecanismo é o que inspira o nome fusão controlada.

Os sistemas tokamak ajudam a confinar o plasma usando campos magnéticos em forma de rosquinha chamada toro. Ao longo dos anos, os tokamaks surgiram como o principal conceito de confinamento de plasma para as usinas de energia de fusão do futuro. A pesquisa que discutiremos no próximo segmento trata da otimização do espaço do tokamak. 

Vasos de Fusão Compactos e Esféricos: Um Tokamak Menor como uma Opção de Fusão Mais Econômica

Uma equipe ampliada de pesquisadores tem estado à frente desta pesquisa, incluindo cientistas do Departamento de Energia dos EUA (DOE), do Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), da empresa privada Tokamak Energy e da Universidade de Kyushu no Japão. Sua proposta é simples em termos de ideia: uma planta piloto de fusão compacta e esférica que aquece o plasma usando apenas micro‑ondas.

 O uso de micro‑ondas eliminaria a necessidade de uma bobina maciça de fio de cobre chamada solenóide, localizada perto do centro do vaso, para aquecer o plasma.

Ao elaborar sobre a utilidade de remover essa abordagem convencional de aquecimento ôhmico, Mayasuki Ono, físico de pesquisa principal no PPPL e autor principal do artigo, disse:

“Um plasma tokamak compacto e esférico se parece com uma maçã com caroço, com um núcleo relativamente pequeno, de modo que não há espaço para uma bobina de aquecimento ôhmico. Se não precisarmos incluir uma bobina de aquecimento ôhmico, provavelmente poderemos projetar uma máquina que seja mais fácil e barata de construir.”

Para alcançar seu objetivo, o experimento utiliza uma tecnologia chamada ECCD, que significa Electron Cyclotron Current Drive, capaz de conduzir simultaneamente uma corrente e aquecer o plasma. Os pesquisadores também desenvolveram um código de computador chamado TORAY, que, em combinação com outro chamado TRANSP, pode escanear os ângulos de mira do feixe para determinar a maior eficiência e minimizar a necessidade de energia para gerar a corrente necessária.

Os pesquisadores também identificaram o modo de ECCD que funcionaria melhor para cada fase do processo de aquecimento. As escolhas prováveis envolvem dois modos:

• Modo O ou modo ordinário
• Modo X ou modo extraordinário

Ambos os modos são úteis e contribuem para o funcionamento geral do sistema. O modo X funciona melhor quando se precisa aumentar a temperatura e a corrente do plasma. O modo O é a opção mais adequada para manter a temperatura e a corrente do plasma após o aumento.

Ao resumir as opções alternativas de aquecimento, Ono disse:

“O modo O é bom para um plasma de alta temperatura e alta densidade. Mas descobrimos que a eficiência do modo O se torna muito baixa em temperaturas mais baixas, portanto é necessário algo mais para cuidar do regime de baixa temperatura.”

Os pesquisadores também destacaram a importância de manter o plasma livre de impurezas. Campos magnéticos fortes confinam o plasma dentro de um tokamak em uma forma específica, mas às vezes o plasma pode se aproximar das paredes internas do tokamak, permitindo que átomos das paredes se desprendam e entrem no plasma.

Embora as propostas de pesquisa ainda sejam experimentais, já podemos ver a participação de entidades comerciais que podem levar essa solução adiante, ampliá‑la e tornar a aplicação da energia de fusão mais otimizada e energeticamente eficiente. No próximo segmento, discutimos a Tokamak, a empresa que já está envolvida no processo.

#1. Tokamak Energy Inc.

Tokamak tem estado na vanguarda do desenvolvimento da tecnologia necessária para entregar com sucesso energia de fusão na década de 2030. Sua visão é tornar a energia de fusão limpa, segura, acessível e prontamente disponível.

Até agora, a empresa acumulou 77 famílias de pedidos de patente e arrecadou US$ 250 milhões no total. Desses US$ 250 milhões, US$ 200 milhões vieram de investidores privados, e o restante dos governos do Reino Unido e dos EUA.

Em sua vida operacional, a empresa adicionou muitas conquistas ao seu portfólio. Por exemplo, em 2022, a empresa se tornou a primeira companhia de fusão privada a alcançar temperatura de íons de plasma de 100 milhões de graus Celsius em um tokamak, o limiar para fusão em escala comercial.

No mesmo ano, a empresa também foi reconhecida com o maior ‘produto triplo’ de plasma de qualquer companhia de fusão privada, uma medida chave da temperatura do plasma e do tempo de confinamento.

Já discutimos o Tokamak esférico, que é um dos caminhos mais pesquisados e amplamente reconhecidos para a energia de fusão. Suas vantagens incluem eficiência operacional, estabilidade do plasma e relação custo‑benefício.

O ST40, tokamak esférico compacto de alto campo da Tokamak, é um dos mais avançados nesta área. Por meio dele, a Tokamak alcançou uma temperatura de íons de plasma de 100 milhões de graus Celsius, que é seis vezes mais quente que o centro do Sol.

A Tokamak também está construindo um sistema magnético Demo4 em uma instalação de teste projetada especificamente. O sistema consiste em 44 bobinas HTS individuais montadas em 14 braços de campo toroidal e duas bobinas de campo poloidal em uma estrutura em forma de gaiola. Ele pode operar em vácuo a 20 Kelvin (-250°C) com uma intensidade de campo magnético quase um milhão de vezes mais forte que o campo magnético da Terra.

#2. Helion

Outra empresa que realiza um trabalho revolucionário neste campo é a Helion. A empresa afirma ter construído a primeira usina de fusão do mundo. O gerador de fusão da Helion também é capaz de elevar o combustível de fusão a mais de 100 milhões de graus Celsius. Além disso, pode extrair eletricidade com uma abordagem pulsada de alta eficiência.

Do ponto de vista tecnológico, a solução da Helion aproveita a tecnologia de fusão magneto‑inercial. A tecnologia da Helion tem três características marcantes que a diferenciam de outras abordagens disponíveis neste campo. Para permitir o ajuste da produção de energia conforme a necessidade, a empresa utiliza um sistema de fusão pulsado, sem ignição.

Semelhante ao funcionamento de um sistema de frenagem regenerativa em um carro elétrico, o sistema Helion pode recuperar eletricidade diretamente. Isso torna o sistema Helion muito mais eficiente energeticamente, já que os outros sistemas de fusão disponíveis aquecem água para criar vapor que aciona a turbina, perdendo muita energia no processo.

A Helion utiliza deutério e hélio‑3 (D‑³He) como combustível. A fusão desses dois produz partículas carregadas que podem ser recapturadas diretamente como eletricidade, mantendo o sistema pequeno, eficiente, rápido e econômico. O uso de deutério e hélio‑3 (D‑³He) como combustível ajuda a reduzir as emissões de nêutrons e diminui significativamente os desafios de engenharia que surgem ao usar combustível de fusão deutério‑trítio.

Importante, a empresa acredita que sua energia de fusão pode se tornar uma das fontes de eletricidade de menor custo, produzindo idealmente energia a uma taxa de US$ 0,01 por kWh.

De acordo com as informações mais recentes disponíveis, a empresa, fundada em 2008, poderia levantar US$ 500 milhões até o final de 2021, alcançando uma avaliação de US$ 1,25 bilhão. Essa rodada mais recente foi liderada por Sam Altman, CEO da OpenAI, que investiu pessoalmente US$ 375 milhões, destacando a forte crença no potencial da Helion de revolucionar a produção de energia por meio da tecnologia de fusão. O financiamento total agora soma US$ 577 milhões, que serão direcionados para a conclusão do sétimo protótipo da Helion, o Polaris, e para avançar na comercialização da energia de fusão até 2024.

O trabalho tecnológico avançado de empresas como Tokamak e Helion está ajudando o campo da energia de fusão a avançar significativamente. A pesquisa específica que citamos para iniciar nossa discussão foi resultado de uma parceria público‑privada. Ela demonstra que há uma transferência constante e sistêmica de conhecimento e capacidades entre instituições de pesquisa e empresas comerciais.

O Futuro dos Vasos de Fusão: Pensamento Inovador para a Otimização de Recursos

Ter sucesso com a fusão exigirá aprofundar ainda mais sua ciência. Os cientistas estão mais curiosos do que nunca.

Maionese Ajuda Pesquisadores a Resolver Desafios Complexos da Energia de Fusão

Uma equipe de pesquisadores da Lehigh University está usando maionese como ingrediente chave em sua pesquisa contínua sobre as fases da instabilidade de Rayleigh‑Taylor. Essa pesquisa pode informar o projeto de futuros processos de fusão por confinamento inercial para energia limpa.

De acordo com Arindam Banerjee, professor Paul B. Reinhold de Engenharia Mecânica e Mecânica na Lehigh University e presidente do departamento MEM no P.C. Rossin College of Engineering and Applied Science:

“A equipe ainda está trabalhando no mesmo problema, que é a integridade estrutural das cápsulas de fusão usadas no confinamento inercial, e a Maionese Real da Hellmann continua nos ajudando na busca por soluções.”

A maionese ajuda a equipe ao agir como um sólido que começa a fluir quando submetido a um gradiente de pressão. O problema de Rayleigh‑Taylor, um problema bem conhecido na física, envolve o fenômeno que ocorre entre materiais de diferentes densidades quando os gradientes de densidade e pressão estão em direções opostas, criando uma estratificação instável. O uso de maionese permite testar possíveis soluções ao eliminar a necessidade de altas temperaturas e condições de pressão, que são extremamente difíceis de controlar.

Fusão Fria Sem Temperaturas Extremas

Outro avanço recente na fusão fria reacendeu as esperanças de alcançar energia limpa sem a necessidade de temperaturas extremamente altas e plasma, tradicionalmente associados à fusão nuclear.

Esse desenvolvimento, que por muito tempo foi considerado ciência marginal, envolve o uso de ciência dos materiais, metais raros e processos químicos específicos para alcançar a fusão nuclear em temperaturas mais baixas.

A comunidade científica havia anteriormente descartado a fusão fria devido à incapacidade de replicar os resultados experimentais iniciais, mas um novo estudo revisado por pares publicado na Nature sugere um caminho possível ao observar emissões de nêutrons durante experimentos com pó de titânio deuterado sob cavitação acústica. Essa descoberta pode abrir caminho para mais pesquisas sobre fusão fria como uma fonte de energia alternativa viável, oferecendo o potencial de energia limpa e praticamente ilimitada.

Os achados do estudo desafiam a crença de longa data de que a fusão nuclear requer as condições extremas encontradas nas estrelas, como milhões de graus de temperatura e campos magnéticos poderosos. Em vez disso, essa nova abordagem explora o potencial de alcançar a fusão por meio de mecanismos diferentes, o que poderia revolucionar o cenário energético ao fornecer um método mais acessível e menos intensivo em recursos para gerar energia.

Se bem-sucedida, a fusão fria poderia contornar a enorme infraestrutura e o consumo de energia exigidos pelos métodos tradicionais de fusão, tornando‑se um divisor de águas na busca por soluções de energia sustentável e limpa.

IA: Um Divisor de Águas na Estabilização das Reações de Fusão Nuclear

Com sofisticação crescente e habilidades em expansão, a IA está revolucionando o campo da fusão nuclear ao prever e prevenir instabilidades do plasma, que historicamente dificultaram a sustentabilidade das reações de fusão.

Pesquisadores da Universidade de Princeton e do Laboratório de Física de Plasma de Princeton do Departamento de Energia dos EUA desenvolveram um modelo de IA capaz de prever interrupções do plasma, como instabilidades de modo de rasgo, até 300 milissegundos antes de se manifestarem. Isso permite que a IA faça ajustes em tempo real nos parâmetros do reator, mantendo a estabilidade do plasma e impedindo que a reação termine prematuramente.

O poder preditivo da IA provém de seu treinamento com dados de experimentos passados, permitindo que ela responda dinamicamente a potenciais instabilidades de maneiras que os modelos tradicionais baseados em física não conseguem.

Como o plasma é inerentemente instável e complexo, manter sua estabilidade tem sido um desafio significativo para sustentar a fusão nuclear. Tradicionalmente, os métodos focavam em mitigar as instabilidades apenas depois que elas começaram a perturbar o plasma, muitas vezes tarde demais para salvar a reação.

Ao aproveitar a capacidade da IA de prever e contrapor preventivamente essas instabilidades, o processo de fusão torna‑se mais estável e viável, aproximando‑se da realização de energia de fusão prática e sustentável. Esse avanço não apenas aumenta as perspectivas da fusão como fonte de energia ilimitada, mas também destaca o papel crítico que a IA está desempenhando ao superar os obstáculos mais desafiadores na pesquisa de fusão.

O Que o Futuro Reserva?

O futuro verá empresas desenvolvendo soluções de energia de fusão que otimizem o espaço e o uso de recursos em termos de energia e custo. De acordo com Omar Hurricane, líder de programa no Laboratório Nacional Lawrence Livermore, onde está localizado o National Ignition Facility:

“A fusão parece muito mais plausível agora do que há dez anos como fonte de energia futura.”

Em 2023, cientistas fizeram uma descoberta ao criar uma reação nuclear que poderia gerar mais energia do que consumia. Segundo relatos, o experimento utilizou um conjunto de 192 lasers para entregar 2,05 megajoules de energia em um cilindro de ouro do tamanho de uma ervilha contendo um pellet congelado dos isótopos de hidrogênio deutério e trítio.

A energia foi tão intensa que colapsou a cápsula. A temperatura alcançada só poderia ser comparada à de estrelas e armas termonucleares. Em termos mais específicos, conforme sugerido pelo laboratório, foram liberados 3,15 megajoules de energia — quase 54 % a mais do que a energia investida na reação e mais que o dobro do recorde anterior de 1,3 megajoules.

Muitos pesquisadores acreditaram que os resultados do experimento tinham grande potencial para o futuro. Segundo Michael Campbell, ex‑diretor do laboratório de fusão da Universidade de Rochester, em Nova Iorque, e um dos primeiros defensores do NIF enquanto estava no laboratório Lawrence Livermore, a descoberta poderia aumentar a confiança na promessa da energia de fusão a laser e, finalmente, abrir a porta para um novo programa focado em aplicações energéticas. Kim Bundil, diretor do laboratório Lawrence Livermore, acreditava que era o “bloco de construção fundamental de um esquema de energia de fusão por confinamento inercial.”

O teste e seu sucesso também demonstraram a necessidade de muitos desenvolvimentos futuros que tornariam o processo mais robusto. Por exemplo, para que o teste se torne um processo viável, a energia liberada em comparação com a energia necessária para produzir os pulsos de laser precisa crescer em pelo menos duas ordens de magnitude.

O futuro também precisa observar um aumento dramático na taxa em que os lasers podem produzir os pulsos e na rapidez com que podem limpar a câmara alvo para prepará‑la para outra queima.

Embora esses esforços continuem nos próximos dias, concluiremos a discussão de hoje mencionando outro projeto vital neste campo — o projeto ITER de US$ 22 bilhões, uma colaboração entre China, União Europeia, Índia, Japão, Coreia, Rússia e Estados Unidos. O projeto trabalha para alcançar fusão auto‑sustentável, onde a energia da fusão produziria mais fusão.

Lentamente e de forma constante, à medida que os experimentos atuais culminam em sua conclusão, a energia de fusão se tornará mais econômica, otimizada e pronta para uma adoção em massa mais ampla.