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Fusão nuclear: próximos reatores podem dar um salto com estes materiais

Por| Editado por Patricia Gnipper | 05 de Abril de 2022 às 16h59

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Curdin Wüthrich/SPC/EPFL
Curdin Wüthrich/SPC/EPFL

O experimento de Joint European Torus (JET), construído na Inglaterra, quebrou o recorde de produção de energia por fusão nuclear em fevereiro deste ano. A façanha deixou cientistas de todo o mundo entusiasmados com o avanço demonstrado pelo reator, mas, para alguns, a verdadeira conquista está no uso de novos materiais.

Cientistas no JET conseguiram obter 59 megajoules no experimento, mais ou menos a mesma de energia liberada por uma explosão de 14 kg de TNT. Apesar de ser um recorde, ainda não é o suficiente: o reator ainda gasta três vezes mais energia do que conseguiu coletar.

Existem vários experimentos de reatores de fusão nuclear pelo mundo e cada um deles testa diferentes soluções para tentar resolver o mesmo problema — a energia produzida é menor que a energia gasta.

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Como funcionam reatores de fusão nuclear?

Existem dois tipos principais de reatores experimentais (tokamaks e stallators), mas todos consistem em aquecer um combustível em temperaturas o suficiente para transformá-lo em plasma. Em seguida, aquecem a substância ainda mais para que as partículas se movimentem em velocidades extremas.

O plasma é o quarto estado da matéria e consiste em átomos aquecidos a temperaturas tão elevadas que os elétrons são arrancados dos núcleos. O resultado são prótons (partículas do núcleo com carga positiva) e elétrons (de carga negativa) livres.

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Para produzir plasma, usam-se isótopos de hidrogênio, pois, neles, os elétrons são mais fáceis de “arrancar”. Ao injetar energia (calor) no plasma, as partículas colidem com força o suficiente para vencer as forças eletromagnéticas repulsivas do núcleo de carga positiva. Assim, os núcleos se fundem.

Quando isso acontece, eles liberam energia, principalmente na forma de nêutrons (outra partícula do núcleo, sem carga elétrica) em movimento rápido. É essa energia que os cientistas coletam para transformar eletricidade utilizável.

Desafios da fusão nuclear

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Como você já deve ter suspeitado, toda produção de calor para criar o plasma e, depois, aquecê-lo ainda mais, demanda muita energia de entrada. Estamos falando de temperaturas acima de 100 milhões de Celsius, o que não é nada trivial, por isso os cientistas ainda não conseguiram obter mais energia do que aquela utilizada para realizar a fusão nucelar.

Além disso, o plasma deve ser mantido em um espaço confinado em altas densidades por um período de tempo relativamente longo. Atualmente, os reatores ficam ligados por alguns segundos, no máximo poucos minutos, durante os experimentos.

Para manter o plasma confinado, os reatores usam campos magnéticos poderosos, mas algumas partículas de combustível ainda se afastam do núcleo e colidem com a parede interna reator. Para evitar que as paredes se degradem devido a essas colisões, os cientistas criaram um “desvio” para canalizar essas partículas rebeldes para a uma câmara.

Até pouco tempo, os desvios não sobreviviam ao bombardeio de partículas por mais de alguns segundos, então essa parede secundária é uma das principais preocupações. Agora, o JET utilizou um novo material que foi crucial para seu último experimento — o carbono, usado até então, foi trocado por uma mistura de berílio e tungstênio.

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Quebrando o recorde

Por volta de 2011, os engenheiros da JET atualizaram o desvio e as paredes internas do reator e passaram a utilizar tungstênio, que tem ponto de fusão mais alto de qualquer metal. Eles também usaram o berílio, que possui propriedades térmicas e mecânicas ideais para um reator de fusão, já que absorve menos combustível que o grafite.

Com isso, as paredes e o desvio “poderiam suportar cargas de calor quase 10 vezes maiores do que o cone do nariz de um ônibus espacial ao reentrar na atmosfera da Terra”, de acordo com os pesquisadores David Donovan e Lívia Casali. Eles atribuem o recorde mais recente à utilização dos novos materiais.

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Ainda segundo os pesquisadores, o uso dos novos materiais nas parede será necessário para os futuros reatores operarem em alta potência por períodos ainda mais longos. O JET, portanto, serve como uma prova de conceito bem-sucedida de como construir os próximos experimentos de fusão nuclear.

Fonte: The Conversation