A forma como os cientistas pensam sobre a fusão mudou para sempre em 2022, quando o que alguns chamaram a experiência do século demonstraram pela primeira vez que a fusão pode ser uma fonte viável de energia limpa.
O experimento, no Laboratório Nacional Lawrence Livermore, mostrou ignição: uma reação de fusão gerando mais energia do que foi inserida.
Além disso, os últimos anos foram marcados por uma ganhos inesperados multibilionários de investimento privado no campoprincipalmente nos Estados Unidos.
Mas toda uma série de desafios de engenharia devem ser enfrentados antes que a fusão possa ser ampliada para se tornar uma fonte segura e acessível de energia. energia limpa praticamente ilimitada. Em outras palavras, é hora da engenharia.
Como engenheiros que têm trabalhado em ciência basic e engenharia aplicada na fusão nuclear há décadas, vimos grande parte da ciência e da física da fusão atingir a maturidade nos últimos 10 anos.
Mas para tornar a fusão numa fonte viável de energia comercial, os engenheiros têm agora de enfrentar uma série de desafios práticos. Se os Estados Unidos aproveitarão esta oportunidade e emergirão como líder international em energia de fusão dependerá, em parte, de quanto a nação está disposta a investir na resolução destes problemas práticos—especialmente através de parcerias público-privadas.
Construindo um Reator de Fusão
A fusão ocorre quando dois tipos de átomos de hidrogênio, deutério e trítio, colidem em condições extremas. Os dois átomos literalmente se fundem em um átomo, aquecendo até 180 milhões de graus Fahrenheit (100 milhões de graus Celsius), 10 vezes mais quente que o núcleo do Sol. Para que estas reações aconteçam, as infraestruturas de energia de fusão terão de suportar estas condições extremas.
Existem duas abordagens para alcançar a fusão no laboratório: fusão por confinamento inercial, que usa lasers poderosose fusão por confinamento magnético, que usa ímãs poderosos.
Embora a “experiência do século” tenha usado fusão de confinamento inercialfusão de confinamento magnético ainda não demonstrou que pode atingir o ponto de equilíbrio na geração de energia.
Vários experimentos com financiamento privado pretende alcançar esse feito ainda nesta décadae uma grande experiência apoiada internacionalmente em França, ITER, também espera atingir o ponto de equilíbrio no closing da década de 2030. Ambos estão usando fusão de confinamento magnético.
Desafios futuros
Ambas as abordagens à fusão partilham uma série de desafios cuja superação não será barata. Por exemplo, os pesquisadores precisam desenvolver novos materiais que pode suportar temperaturas extremas e condições de irradiação.
Materiais de reatores de fusão também tornar-se radioativo pois são bombardeados com partículas altamente energéticas. Os pesquisadores precisam projetar novos materiais que pode decair dentro de alguns anos para níveis de radioatividade que podem ser descartados com segurança e mais facilidade.
Produzir combustível suficiente e fazê-lo de forma sustentável também é um desafio importante. O deutério é abundante e pode ser extraído da água comum. Mas aumentando a produção de trítioque normalmente é produzido a partir do lítio, será muito mais difícil. Um único reator de fusão precisará de centenas de gramas a um quilograma (2,2 libras) de trítio por dia para funcionar.
Neste momento, os reactores nucleares convencionais produzem trítio como subproduto da fissão, mas estes não podem fornecer o suficiente para sustentar uma frota de reactores de fusão.
Assim, os engenheiros precisarão desenvolver a capacidade de produzir trítio dentro do próprio dispositivo de fusão. Isto pode implicar cercar o reator de fusão com materials contendo lítio, o que a reação se converterá em trítio.
Para ampliar a fusão inercial, os engenheiros precisarão desenvolver lasers capazes de atingir repetidamente um alvo de combustível de fusão, feito de deutério e trítio congelados, várias vezes por segundo ou mais. Mas nenhum laser é poderoso o suficiente para fazer isso nesse ritmo – ainda. Os engenheiros também precisarão desenvolver sistemas de controle e algoritmos que direcionem esses lasers com extrema precisão para o alvo.
Uma configuração de laser que o grupo de pesquisa de Farhat Beg planeja usar para atingir repetidamente um alvo de combustível de fusão. O objetivo dos experimentos é controlar melhor o posicionamento e rastreamento do alvo. A iluminação é vermelha devido aos géis coloridos usados para tirar a foto. David Baillot/Universidade da Califórnia em San Diego
Além disso, os engenheiros precisarão aumentar a produção de alvos em ordens de grandeza: de algumas centenas feitas à mão todos os anos com um preço de centenas de milhares de dólares cada para milhões custando apenas alguns dólares cada.
Para a contenção magnética, os engenheiros e cientistas de materiais terão de desenvolver métodos mais eficazes para aquecer e controlar o plasma e materiais mais resistentes ao calor e à radiação para as paredes do reactor. A tecnologia usada para aquecer e confinar o plasma até que os átomos se fundam precisa operar de forma confiável durante anos.
Estes são alguns dos grandes desafios. Eles são difíceis, mas não intransponíveis.
Cenário atual de financiamento
Os investimentos de empresas privadas aumentaram a nível mundial – estes provavelmente continuarão a ser um issue importante para impulsionar a investigação sobre fusão. As empresas privadas atraíram mais de 7 mil milhões de dólares em investimento privado nos últimos cinco anos.
Várias startups estão desenvolvendo diferentes tecnologias e projetos de reatores com o objetivo de adicionar fusão à rede elétrica nas próximas décadas. A maioria está baseada nos Estados Unidos, alguns na Europa e na Ásia.
Embora os investimentos do sector privado tenham aumentado, o governo dos EUA continua a desempenhar um papel basic no desenvolvimento da tecnologia de fusão até ao momento. Esperamos que proceed assim no futuro.
Foi o Departamento de Energia dos EUA que investiu cerca de US$ 3 bilhões para construir a Instalação Nacional de Ignição no Laboratório Nacional Lawrence Livermore. em meados dos anos 2000onde ocorreu a “experiência do século” 12 anos depois.
Em 2023, o Departamento de Energia anunciou um programa de 4 anos no valor de US$ 42 milhões desenvolver centros de fusão para a tecnologia. Embora este financiamento seja importante, provavelmente não será suficiente para resolver os desafios mais importantes que permanecem para os Estados Unidos emergirem como líder international na energia de fusão prática.
Uma forma de construir parcerias entre o governo e as empresas privadas neste espaço poderia ser criar relacionamentos semelhantes aos entre NASA e SpaceX. Como um dos parceiros comerciais da NASA, a SpaceX recebe financiamento governamental e privado para desenvolver tecnologia que a NASA possa usar. Foi a primeira empresa privada enviar astronautas ao espaço e à Estação Espacial Internacional.
Juntamente com muitos outros investigadores, estamos cautelosamente optimistas. Novos resultados experimentais e teóricos, novas ferramentas e investimento do sector privado estão a contribuir para a nossa crescente sensação de que o desenvolvimento prático da energia de fusão já não é uma questão de se, mas sim de quando.
Este artigo foi republicado de A conversa sob uma licença Artistic Commons. Leia o artigo unique.