As mudanças para busca de produção de energia mais sustentável e eficiente são foco de grandes investimentos por diferentes países pelo mundo. Um deles, o laboratório Joint European Torus (JET), no Reino Unido, teve grandes sucessos em Fevereiro de 2022 em experimentos de produção de energia por fusão nuclear, o que pode mudar o cenário mundial na produção de energia limpa e em grande quantidades.
A produção de energia nuclear já é uma tecnologia utilizada desde as décadas de 50 e 60, mas o mecanismo utilizado atualmente em larga escala é por meio da fissão de átomos, ou seja, da separação de um átomo em outros. A fusão é um processo mais complicado e instável de ser executado, mas com as novas descobertas há possibilidade de maior crescimento do uso no de energia via fusão nuclear no futuro da sociedade.
Existem projetos já em curso de construção de usinas nucleares por fusão, como o grande International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) na França em consórcio com mais de 35 países, como Estados Unidos, Rússia e China.
O que é a produção de energia elétrica via fusão nuclear
A fusão nuclear produz cerca de 4 milhões de vezes mais energia do que a fissão, já que o colapso entre dois átomos ocorre em alta velocidade e calor, resultando em mais calor, novos átomos e energia.
Este é o processo que ocorre na estrela principal do nosso sistema, o Sol. Nele, dois átomos leves de hidrogênio em velocidade muito alta, por conta da gravidade, colapsam com o hélio causando um impacto grande que emite muita energia, calor e a luz que nós recebemos na Terra.
Na estrela, cerca de 600 milhões de toneladas de hidrogênio são fusionadas com o hélio em uma temperatura de 15 milhões °C a todos momentos, o que permite a criação do campo gravitacional forte que estabiliza o sistema solar e o movimento dos planetas.
Para recriar este processo na Terra, onde a gravidade não é tão forte quanto no Sol, é necessário aquecer os hidrogênios em cerca de 100 milhões °C para que ocorra a colisão, já que, quimicamente, o calor causa a vibração dos átomos e quanto maior o calor maior o movimento.
Os avanços da tecnologia de produção energética por fusão nuclear atualmente se utilizam de dois tipos de hidrogênio: o deutério e o trítio. O deutério é encontrado em grande quantidade na água do mar, e o trítio é extraído do lítio, um mineral. A parte mais complicada do processo se dá por conta de ambos serem positivamente carregados, e assim como os ímãs, somente os opostos se atraem.
Portanto, é apenas com altíssimas temperaturas e energia que o movimento e colisão dos dois é possível. Após a fusão, é formado um gás eletricamente carregado chamado de plasma, e é ele que aquecerá a água e produzirá energia.
Qual a diferença entre fissão nuclear e fusão nuclear
Atualmente, o mundo já se utiliza da energia nuclear, porém as usinas se utilizam do processo de fissão que é mais fácil de se obter do que a fusão.
A fissão é a divisão do núcleo atômico, fenômeno pelo qual o núcleo de um átomo é bombardeado por um nêutron (partículas eletricamente neutras). Essa colisão resulta na criação de um átomo totalmente instável, que se quebra formando dois novos elementos e liberando grandes quantidades de energia, como uma explosão.
Em reatores nucleares normalmente é utilizado o Urânio-235, extremamente radioativo, ou seja, um átomo instável que emite uma partícula da sua composição para atingir a estabilidade.
Este é o processo que ocorre em bombas atômicas como as que foram usadas em Hiroshima, e é isso que faz as usinas nucleares serem tão instáveis que podem levar a acidentes como o de Chernobyl.
Já a fusão nuclear ocorre quando dois núcleos atômicos se juntam, formando um novo elemento mais pesado e instável. É um processo que demanda enormes quantidades de energia para ser o suficiente para ultrapassar a repulsão natural existente entre dois núcleos de carga positiva. Porém, quando acontece em estrelas, por exemplo, é capaz de liberar muito mais energia do que consome.
Como a fissão exige somente o controle de um elemento e um nêutron, é uma reação muito mais fácil de se obter com menos energia. Já a fusão, exige um controle muito maior pela instabilidade da reação entre dois átomos, além de exigir uma quantidade superior de energia para ocorrer na Terra, tendo um resultado líquido energético negativo.
Por isso que, atualmente, a produção comercial de energia nuclear se dá por fissão e não fusão, já que as tecnologias ainda estão em desenvolvimento para se obter um lucro energético com a fusão.
Porém, com os avanços registrados pelos laboratórios como o JET, no Reino Unido, ou o National Ignition Facility (NIF), na Califórnia, as tecnologias de fusão possuem uma perspectiva de produção energética comercial a partir de 2040 ou 2050.
O NIF conseguiu a produção de 1.3 MJ (MegaJoules) para 1.5 MJ necessários para se obter a fusão, com somente a perda de 0.2MJ no processo e chegando mais perto de uma energia líquida positiva. O JET, no dia 9 de Fevereiro de 2022, conseguiu a partir da fusão de deutério e trítio, 59 MJ em 5 segundos de reação, chegando ao dobro de energia em menos tempo do seu próprio e antigo recorde mundial de 1997.
O que é o reator de fusão nuclear internacional ITER, o maior reator de fusão nuclear do mundo em construção
O maior projeto de usina de fusão nuclear do mundo é o ITER, em desenvolvimento na França com investimento da Agência Internacional de Energia Atômica e apoio da União Europeia (com a Comunidade Europeia da Energia Atômica), China, Índia, Coreia do Sul, Japão e Estados Unidos.
O seu projeto foi baseado na tecnologia soviética de Tokamak, um dispositivo projetado especificamente para controlar o plasma em alta temperatura usando campos magnéticos fortes, já utilizado pelo laboratório JET.
O ITER funcionará a partir do aquecimento em 100 mi. °C a 150 mi. °C, para a fusão do deutério e trítio, obtendo o plasma. Para não haver absorção do gás elétrico pelas paredes da usina, os ímãs de controle serão refrigerados a uma temperatura de -269°C e a estrutura contará com canos com água fria que captarão o calor emitido pela reação e gerarão energia.
Com turbinas de 500MW (MegaWatts) de potência que produzirão a energia por 7 a 20 minutos, o resultado estimado é de 10 vezes mais energia produzida do que a necessária para iniciar a reação, sendo a maior produção energética por fusão do mundo.
Essa tecnologia será capaz de permitir a produção de energia limpa quase ilimitada, sem emissão de gases estufas e baixa radioatividade, além de ser mais segura. O resultado da reação é o hélio, um gás inerte da natureza, e é quase impossível de causar desastres igual as termelétricas por fissão, já que se o reator for interrompido a reação é enfraquecida e desfeita, pois é instável e depende do fornecimento de energia.
O prazo para sua finalização é 2025, podendo iniciar o seu uso em dez anos, em 2035. A construção em Cadarache na França causou conflitos entre os seis países da gestão e atrasou o projeto, já que não chegavam em consenso sobre o local de construção. A UE, China e Rússia apoiaram a construção no território francês, porém os EUA, Coréia do Sul e Japão queriam a construção na cidade japonesa de Rokkasho Mura, ao Norte do país.
O acordo entre os países é baseado em uma cobertura de 50% das despesas de construção e exploração pelo país em que residirá a usina, enquanto os outros participantes arcarão com 10% do custo. O projeto já aumentou em 3 vezes o orçamento inicial de US$6.6 bilhões, chegando a 13 bilhões de dólares.
Quais outros grandes projetos de fusão nuclear no mundo estão na corrida para ter um rendimento positivo de energia via fusão nuclear
Vários países e empresas estão caminhando para alcançar o maior avanço das tecnologias e procedimentos de produção energética por meio da fusão nuclear.
A empresa americana TAE Technologies, em 2021, conseguiu grandes avanços com o seu aparelho de fusão nuclear “C2W Norman” conseguindo alcançar a fusão com uma temperatura de 60 mi°C por 30 milissegundos, ultrapassando em 8 vezes a temperatura alcançada anteriormente em 10 vezes mais tempo.
O Norman não segue o mesmo funcionamento que a maioria dos outros laboratórios usam, foge da estrutura circular de Tokamak e alcança a fusão em um aparelho cilíndrico. A empresa possui um financiamento privado de US$800mi, incluindo apoio na tecnologia de máquinas da Google.
A First Light Fusion, empresa sediada em Oxford, está em um projeto de fusão por meio do lançamento de projéteis de discos de alumínio, acelerados por um impulsionamento elétrico que o permite atingir 20 kM por segundo, atingindo a fusão e gerando nêutrons que permitem a captação de energia por meio do calor. Esta é uma tecnologia nova e não usada anteriormente.
A Helion Energy, empresa americana, está desenvolvendo o projeto Polaris, um aparelho de sétima geração com finalização em 2023. Este aparelho já recebeu US$0.5bn, com adicionais de US$1.7bn a cada conquista que conseguirem, da iniciativa privada. O seu funcionamento é esperado alcançar um pulso elétrico a cada segundo para impulsionar as fusões.
Além disso, a NIF, já citada anteriormente, alcançou pela primeira vez um estágio de “queima de plasma”, onde 192 lasers aquecem em 100 mi°C e comprimem em 100 vezes os hidrogênios, liberando elétrons e fusionando os núcleos atômicos, o que gera energia. Este processo é capaz de liberar ainda mais energia do que a fornecida pelos lasers, o que permite um efeito em cadeia para mais fusões ocorrerem seguidamente.
Foi a primeira vez em que a fusão foi capaz de emitir mais energia do que a necessária inicialmente, significando um avanço enorme para a produção energética. Porém, não conseguiram replicar este processo desde Agosto de 2021.
[…] Alex Zylstra [físico do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) do NIF] , acrescentou: “Experimentos ao longo de décadas produziram reações de fusão usando grandes quantidades de aquecimento externo para aquecer o plasma – agora, pela primeira vez, temos um sistema onde a própria fusão está fornecendo a maior parte do aquecimento. Este é um marco fundamental no caminho para níveis ainda mais altos de desempenho de fusão.”
BBC News
Como a fusão nuclear pode revolucionar o meio ambiente, o uso de energia, e a economia mundial e suas implicações geopolíticas
Energias e tecnologias inovadoras possuem um grande custo de investimento antes de se popularizarem. Mas a demanda por tecnologia de energia limpa é imensurável no momento já que o mundo está passando por mudanças climáticas irreversíveis devido alto uso de combustíveis fósseis como a principal matriz de energia mundial.
Desta forma, as energias limpas precisam se tornar a base energética da indústria mundial para evitarmos maiores danos climáticos; nesse caso, a fusão nuclear pode no futuro ter um papel essencial nessa muda de matrizes energéticas sujas para limpas.
Os atuais investimentos gigantes por empresas privadas, governos ou consórcios internacionais e bilionários como Elon Musk, Bill Gates e Jeff Bezos (entusiastas das inovações tecnológicas), podem permitir que a energia limpa se popularize e se comercialize em preços mais acessíveis no futuro.
Não é somente a dificuldade de se explorar uma tecnologia nova, mas o apoio político dos governos nacionais é essencial para que até 2040/2050 a energia via fusão nuclear seja uma realidade para diversas nações do mundo.
A fusão nuclear possui um potencial enorme de se tornar a principal base energética em larga escala do futuro, podendo produzir ainda mais energia do que as fontes renováveis atuais como energia eólica e solar. Imagine que ao invés de dependermos da luz do Sol para energia, podemos recriar o próprio Sol aqui na Terra. É isso que a fusão nuclear representa.
Impactos geopolíticos caso a produção de energia via fusão nuclear se torne viável:
- Estados Unidos:
Os EUA são os maiores produtores e exportadores de energia nuclear do mundo, com 98 usinas em funcionamento e responsável por cerca de um terço da produção mundial de energia nuclear. De acordo com censo de 2020 pela World Nuclear Association, a produção americana equivale a 95.5 GWe, representando 19,7% da sua matriz energética. Contudo, a sua produção atual é por meio convencional de fissão atômica.
O país investe US$500 milhões em pesquisas de produção energética por fusão. Porém, em comparação aos seus outros gastos como os US$1 bilhão em combustíveis fósseis, US$2.7 bilhões em energia renovável, US$23bn na NASA e US$700bn no campo militar, a energia por fusão não está no foco e não estará disponível tão cedo.
Mas, nos últimos anos, a participação mundial dos Estados Unidos como produtor de energia nuclear via fissão está caindo e perdendo o seu posto para países como a Rússia e China. Porém, como os EUA são um dos principais investidores na pesquisa de produção de energia via fusão nuclear, provavelmente será um dos primeiros países a conseguirem usar a fusão nuclear comercialmente.
Assim, os EUA sairiam na frente dessa nova corrida energética ganhando grande vantagem em relação às outras superpotências e possivelmente se tornaria o primeiro grande país a ser totalmente independente energeticamente. Isso diminuiria a dependência americana por petróleo vindo de países do Oriente Médio, África, e América Latina, podendo levar a um desengajamento geopolítico dessas regiões.
- China:
A China é um dos grandes produtores de energia nuclear. Nos últimos anos, o governo chinês vem investindo na sua independência e protagonismo nuclear, possuindo até mesmo grandes projetos de fusão.
O Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) da Hefei Institutes of Physical Science (HFIPS) alcançou grandes avanços com a produção de plasma em 50 mi°C por 102 segundos em 2017. Desde então, em Maio de 2021, a EAST registrou um novo recorde mundial ao atingir a temperatura de 120 mi°C por 101 segundos; além de possuir outro experimento que registrou temperatura de 160 mi°C por 20 segundos.
Esses avanços fazem parte do projeto do China Fusion Engineering Test Reactor (CFETR), a usina de fusão nuclear chinesa.
Atualmente a China possui 3 reatores nucleares de fissão que produzem 50,8 GWe, representando 4,9% da matriz energética nacional em 2020. Mesmo tendo uma base construída baixa, o país asiático é o líder em novas construções nucleares: em 2022, 18 dos 57 reatores em construção eram chineses.
O governo possui o Plano de Ação para a Estratégia de Desenvolvimento Estratégico (2014-2020), que conta com o objetivo de mudança da produção de energia chinesa para maior independência e fontes mais limpas para melhorar a qualidade do ar e reduzir a emissão de gases de efeito estufa. Em energia nuclear, o plano era de 58 GWe até 2020, com a construção em andamento de mais 30 GWe.
Portanto, o movimento que se observa na China é o de buscar se tornar um dos líderes na produção de energia nuclear, seja pelo meio tradicional de fissão, ou pela expectativa de desenvolver reatores de fusão nuclear.
Como a China é o maior importador de energia do mundo, principalmente gás e petróleo, a busca por independência energética via fusão nuclear é essencial para o desenvolvimento do país e sua busca por hegemonia mundial até o meio do século XXI.
- União Europeia:
A UE possui cerca de 1/3 do seu fornecimento de energia por usinas nucleares, tanto produção interna quanto por importações.
A Comissão da União Europeia iniciou o projeto, junto com a Suíça, de pesquisa e desenvolvimento de energia por fusão nuclear: a EUROfusion, Consórcio Europeu para o Desenvolvimento da Energia de Fusão. Com 30 organizações de pesquisa de 152 entidades e os 25 Estados-membros da UE, além da Suíça, Reino Unido e Ucrânia, foi assinado em 2014 o termo de compromisso com a pesquisa de energia limpa de fusão.
A EUROfusion e a Comunidade Europeia de Energia Atômica (Euratom) estão por trás do processo de construção do ITER, com objetivos após sua construção para o avanço do uso de energia nuclear fusionada, o chamado “roadmap” (um roteiro de ação) para o desenvolvimento do sucessor DEMO.
“Durante a implementação do roadmap, o programa de fusão passará de um programa baseado em laboratórios e orientado para a ciência para um empreendimento orientado para a indústria e a tecnologia. O projeto, construção e operação da DEMO exigem total envolvimento da indústria. Isto assegurará que, após uma operação DEMO bem sucedida, a indústria possa assumir a responsabilidade pela energia de fusão comercial. Salienta não só a necessidade de intensificar a colaboração com a indústria, mas também de procurar todas as oportunidades de colaboração fora da Europa (ver abordagem mais ampla).”
EUROfusion
Dessa forma, a União Europeia está na busca por uma maior autonomia estratégica no campo energético, tentando diminuir a sua dependência de importações de outros países como a Rússia.
Caso a União Europeia seja bem sucedida em desenvolver reatores de fusão nuclear eficientes, ela terá acesso à produção de energia limpa quase ilimitada. Isso levaria à União finalmente conseguir a sua autonomia energética e não ficaria mais refém do gás Russo que é constantemente usado como arma geopolítica por Putin contra a Europa Ocidental.
Assim, a UE poderia finalmente ter uma política externa forte e independente. Finalmente, com energia via fusão nuclear, a UE facilmente alcançaria suas metas de neutralidade nas emissões de carbono.
- Rússia:
A sua importância no comércio internacional energético vem crescendo e o país se tornou um dos principais fornecedores de energia nuclear mundial. A Rússia produziu 20,6% da energia interna por meio nuclear em 2020, com 37 reatores de fissão operáveis de capacidade de 27,7 GWe.
Desde 2016, o governo russo investe na construção de 11 novos reatores até 2030, buscando se fortalecer na dominância na exportação. A Bielorússia, Hungria, Índia, China, Irã e Turquia já possuem contrato de projetos de reatores de fissão vindos da Rússia, além de manter relações de investimento na Algéria, Bangladesh, Indonésia, Bolívia, Cazaquistão, Nigéria, Uzbequistão e outros.
A Rússia possui o histórico soviético dos avanços tecnológicos nucleares, sendo a casa do primeiro aparelho de tokamak. A pesquisa não é algo que ficou no passado, já que o país está auxiliando o projeto do ITER com tecnologias de controle de plasma (como o aparelho avançado T-15MD) que permitirão, não somente o funcionamento do ITER, mas também projetos futuros de fusão nuclear nacional.
Sendo assim, se a Rússia conseguir desenvolver um reator de fusão nuclear antes que seus competidores, ela poderá exportar essa tecnologia pelo mundo ganhando assim influência geopolítica.
Porém, como atualmente a Rússia é um dos principais exportadores de gás natural, se outros países e regiões tiverem acesso a energia limpa e ilimitada via fusão nuclear, eles cortaria suas dependência do gás e petróleo Russo, enfraquecendo a economia e influência geopolítica de Moscou. Sendo assim, a Rússia seria um dos principais perdedores caso a fusão nuclear seja disseminada e adotada por grande parte do mundo.
- África:
O principal país do continente a possuir uma estrutura nuclear é a África do Sul, com dois reatores nucleares de fissão de capacidade produtiva de 1,9 GWe. Em 2020 produziu 5,9% da matriz energética do país, possuindo planos para aumentar seu potencial energético mas sem recursos financeiros para alcançá-lo.
A fusão nuclear, após sua popularização e produção em massa, pode ajudar muitos continentes em situação de pobreza e ainda em desenvolvimento caso essa tecnologia seja compartilhada e difundida com baixos custos. Desta forma, muitos países da África pulariam um estágio de desenvolvimento, indo direto para a produção e consumo de energia limpa e sem passar com força pelo uso de energia via combustíveis fósseis.
Até chegar a este ponto ainda há muito pesquisa e desenvolvimento a ser executado. Contudo, a eletrificação de comunidades populares por uma energia completamente limpa representa uma possibilidade de avanço nunca vista até agora no continente Africano.
- Mundialmente em geral:
Somente o projeto do ITER já conta com o apoio e participação de 35 países globalmente, o que permitirá um acesso muito grande ao conhecimento que será obtido quando energia elétrica for produzida pela usina. Isso possibilitará um maior desenvolvimento em países na margem do Mercado, tornando a sociedade mais igualitária caso essa tecnologia seja difundida a baixos custos.
O monopólio comercial atualmente na exportação de energia recai sobretudo sob os países exportadores de combustíveis fósseis, como os países do Oriente Médio ou a Rússia. A energia por fusão em larga escala permitiria mudar a concentração de poder geopolítico que eles dominam, impossibilitando o uso da energia como uma arma geopolítica, se for difundida para diferentes países importadores de energia.
Além disso, será uma energia completamente limpa e segura, tornando o desenvolvimento mundial menos nocivo ao meio ambiente e às populações que dependerão das usinas, não repetindo acidentes como o de Fukushima no Japão em 2011.
O uso da fusão nuclear possui um potencial enorme de mudar a sociedade mundial, com uma distribuição elétrica, desenvolvimento tecnológico e uma energia limpa e segura produzida em alta quantidade e com potencial de ser mais igualitária.
O seu crescimento está no horizonte, dependendo do comprometimento dos altos investimentos privados e governamentais, mas que poderá levar a mudanças benéficas e revolucionárias na estrutura energética do mercado global.