A relação entre a energia de entrada e a de saída é frequentemente chamada de “Q” 
.
Para aumentar Q, podemos fazer duas coisas:
- Usar menos energia;
- Produzir mais energia.
Acontece que essas duas coisas estão intimamente ligadas. À medida que acontecem cada vez mais reações de fusão (ou seja, nós produzimos mais energia), o plasma se aquece cada vez mais. Isso significa que não precisamos continuar investindo tanta energia para aquecê-lo . Em algum ponto, ele pode até continuar a funcionar sem qualquer adição externa de calor !
Nos últimos 60 anos, pesquisadores têm trabalhado em diversos métodos diferentes para consertar isso . Infelizmente, quase todos esses projetos permanecem com valores de Q entre 0,0001 e 0,000001 . No entanto, existe um tipo de reator (chamado u0022tokamaku0022) que atingiu Q=0,65 .
Vamos ver como ele funciona!
“Tokamak”: A rosquinha da fusão
Lembre-se dos nossos três problemas:
- Aquecer o plasma a cerca de 100 milhões de graus Celsius;
- Densidade ;
- Confinamento do plasma de segundos a minutos .
O tokamak satisfaz os requisitos de confinamento e densidade, simultaneamente, usando campos magnéticos fortes . Esses campos magnéticos forçam os elétrons carregados negativamente e os núcleos carregados positivamente a girarem em um caminho dentro de uma forma de rosca. Como os ímãs circundam o plasma, eles criam uma alta pressão, o que aumenta a densidade do plasma .
Respire fundo. Sente-se. Certifique-se de que você entendeu tudo até agora. Porque, a partir desse momento, vamos abordar alguns dos problemas em que os pesquisadores de fusão trabalham atualmente.
De onde vem o deutério e o trítio?
O deutério é fácil de encontrar e é abundante – está na água do oceano . No entanto, apenas alguns quilos de trítio são produzidos pela natureza a cada ano e não existe uma “fábrica de trítio” . Os experimentos de fusão atuais muitas vezes o obtém de usinas de fissão nuclear, onde o trítio é produzido como resíduo radioativo . Mas de onde vamos consegui-lo se pararmos de usar reatores de fissão?
Felizmente, existe uma maneira de os reatores de fusão gerarem seu próprio trítio . Teoricamente, poderíamos reutilizar aquele nêutron extra para fazer mais trítio a partir do deutério! A reação completa usa deutério (1p1n) e lítio-6 (3p6n) como reagentes para produzir hélio :
O uso de lítio-6 para produzir trítio, na verdade, introduz mais energia ao sistema . Fazer isso na prática é muito difícil e é uma das áreas ativas de pesquisa e de incerteza na energia de fusão .
Como podemos obter energia de um tokamak?
Por enquanto, tudo certo. Temos deutério e trítio, podemos aquecê-los e causar a fusão. Mas como extraímos a energia?
Lembre-se de que os nêutrons não têm carga. Os campos magnéticos interagem apenas com partículas carregadas. Isso significa que o campo magnético, por mais forte que seja, não pode conter os nêutrons rápidos que são gerados a partir das reações de fusão.
Esses nêutrons rápidos são o aspecto mais valioso e mais irritante da fusão. Valioso porque é de sua velocidade que obtemos a energia , e irritante porque eles danificam as paredes do reator . Como podemos resolver isso?
No gráfico (repetido) acima, você pode ver que existe uma camada chamada manta entre o plasma e os ímãs. Os nêutrons rápidos são desacelerados dentro da manta e sua energia cinética é transferida para aquecê-la . A manta quente, por sua vez, é usada para aquecer a água que, então, gira uma turbina a vapor (assim como na fissão nuclear e nas usinas de carvão).
Isso funciona em teoria, mas, na prática, é difícil construir uma manta que seja eficiente e resiliente aos danos dos nêutrons acelerados .
Como podemos melhorar os tokamaks?
Além dos problemas com as mantas, ainda não alcançamos Q>1. Existem duas variáveis particularmente importantes em um reator de fusão que podemos controlar para influenciar quanta energia é liberada em um reator de fusão :
- R: O raio do tokamak;
- B: A força do campo magnético.
Então, quão grandes os reatores devem ser para alcançarem valores razoáveis de Q? O ITER é o maior experimento científico internacional de todos os tempos com o objetivo de alcançar Q = 10. Qual é o tamanho do reator ITER?
Você consegue ver a pessoa lá embaixo? Essa coisa é ENORME.
Devido ao seu tamanho, o ITER custou dezenas de bilhões de dólares e está levando décadas para ser construído . Lembra do gráfico Q que mostramos anteriormente? Quer saber por que parou? Agora você sabe! Os reatores ficaram muito grandes, o que significa que eles demoram mais para serem construídos.
O número no eixo y é o chamado u0022produto triplo de fusãou0022. É um indicador aproximado de quanta energia um reator de fusão produz e é definido como o produto dos três atributos principais de qualquer reator de fusão:
O ITER é um experimento científico, não um reator comercial . Um reator comercial provavelmente precisaria ser ainda maior . Claramente, aumentar o raio (R) não é promissor. E quanto à intensidade do campo magnético (B)?
Ímãs mais fortes poderiam tornar os reatores menores e mais baratos?
A indução de um campo magnético requer o deslocamento de uma corrente através das bobinas do campo eletromagnético do tokamak. Na maioria dos materiais, a corrente consome energia, pois parte da eletricidade é perdida na forma de calor devido à resistência . Porém, alguns materiais – chamados desupercondutores – têm a capacidade de conduzir a corrente sem perda de calor, pois não há resistência .
Trabalhos recentes em um tipo de ímã supercondutor chamado deREBCO (Óxidos de Bário-Cobre de Terras Raras) permitiu que a força do campo magnético, u0022Bu0022, quase dobrasse ! O fator limitante agora é a durabilidade do aço e do concreto, que mantêm tudo unido – na potência máxima, os ímãs destruiriam o reator .
O uso de ímãs REBCO é, provavelmente, um passo essencial no caminho para reatores de fusão acessíveis com Q>1 .
É importante ressaltar que o ITER ainda usa os supercondutores antigos e mais fracos .
Conclusão
A fusão sempre foi uma u0022tecnologia do futurou0022, mas realmente estamos chegando perto de Q = 1 .
Empresas privadas e laboratórios universitários estão atualmente trabalhando para integrar ímãs REBCO a reatores de fusão tokamak . Seus progressos serão um indicador crucial para a possiblidade de fusão , mas alcançar Q maior que 1 não é o único problema na pesquisa de fusão.
Existem vários problemas em aberto na tecnologia de manta, na produção de trítio e na proteção de reator . Essa é uma grande fonte de incerteza. No entanto, nas próximas décadas, provavelmente descobriremos se a fusão pode ser a fonte de energia limpa e abundante que esperamos.
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