Tokamak: tecnologia de fusão nuclear é capaz de criar um “Sol” artificial

Tokamak é o nome dado a uma máquina experimental projetada para aproveitar a energia fornecida pela reação de fusão nuclear. Dentro dela, a energia produzida é absorvida em forma de calor pelas paredes do recipiente. Assim como uma usina convencional, uma usina de fusão nuclear usa esse calor para produzir vapor e eletricidade por meio de turbinas e geradores.

O que é fusão nuclear?

“Fusão nuclear” é um termo utilizado para se referir ao processo de junção de dois núcleos atômicos para a formação de um novo elemento, mais pesado. Durante a estruturação do novo núcleo, ocorre a liberação de grande quantidade de energia.

A fusão nuclear é um fenômeno extremamente difícil de ser provocado, exigindo temperaturas da ordem de milhares de graus Celsius. No entanto, quando alcançado, libera muito mais energia do que a que consome. A grande quantidade de energia necessária para ativar o processo de fusão nuclear deve-se à barreira de forças eletrostáticas entre os núcleos, conhecida como Barreira de Coulomb.

Entretanto, esse processo ocorre naturalmente em diversas estrelas, como o Sol. A luz e o calor provenientes desse astro resultam da fusão de átomos de hidrogênio, o que produz átomos de hélio e energia. O processo de fusão nuclear pode ser reproduzido em laboratório, mas ainda não de forma a gerar uma quantidade de energia considerável.

Fusão nuclear como fonte de energia limpa

Como dito anteriormente, fusão nuclear é o mesmo processo que ocorre no Sol, e requer calor e pressão extremos, sendo muito mais difícil de controlar do que a fissão nuclear. Mas a fusão nuclear não gera o lixo radioativo produzido pelos reatores de fissão, que é um dos principais problemas relacionados ao uso da energia nuclear. A fissão também é um método muito caro e causa preocupações quanto à segurança.

A fusão solar gera grandes quantidades de calor e luz. Por décadas pesquisadores vêm tentando replicar esse processo na Terra, produzindo “um Sol na caixa”. A ideia é pegar certo tipo de gás de hidrogênio, aquecê-lo a mais de 100 milhões de graus Celsius até formar uma nuvem de plasma, e controlá-lo com um campo magnético até que os átomos se fundam e liberem energia.

Tecnicamente, a energia da fusão nuclear é muito limpa: não produz gás carbônico, não gera lixo tóxico e não possui riscos de explosão. Mas até agora a tecnologia para obter energia desta forma ainda não existe. Para tentar criá-la, diversos países concentraram seus esforços em um projeto de cooperação internacional chamado Iter.

Reator de fusão

O método mais conhecido de fusão nuclear envolve o reator do tipo Tokamak, que tem uma câmara de vácuo em formato de rosquinha. Nela, o gás de hidrogênio é aquecido a cerca de 100 milhões de graus Celsius, e então se torna um plasma. Um campo magnético é usado para confinar o plasma para que ele não derreta o reator e conduzi-lo para que a fusão aconteça.

No Reino Unido, pesquisadores desenvolveram um tipo diferente de Tokamak. Chamado de Tokamak esférico, ele tem a vantagem de ser mais compacto, permitindo que usinas futuras sejam localizadas e áreas urbanizadas.

“Se você olhar para algumas unidades, com as grandes máquinas que precisamos instalar, pode ver que a tarefa de encontrar um local para colocá-los por si só já é difícil”, diz Nanna Heiberg, da Agência de Energia Atômica do Reino Unido. “O ideal é colocá-las perto de onde a energia é usada. E se você conseguir criar reatores em espaços menores, você pode colocá-los mais próximos a usuários e criar mais deles pelo país.”

Como funciona um Tokamak?

O coração de um Tokamak é sua câmara de vácuo em forma de rosquinha. Por dentro, sob a influência de calor e pressão extremos, o hidrogênio torna-se um plasma – um gás quente e eletricamente carregado. Tanto em uma estrela quanto em um dispositivo de fusão, os plasmas fornecem o ambiente no qual elementos leves podem se fundir e produzir energia.

As partículas carregadas do plasma podem ser moldadas e controladas pelas bobinas magnéticas colocadas ao redor do vaso; os físicos utilizam essa propriedade para confinar o plasma quente longe das paredes dos vasos.

Para iniciar o processo, o ar e as impurezas são evacuados da câmara de vácuo. Posteriormente, os sistemas magnéticos que ajudarão a confinar e controlar o plasma são carregados e o hidrogênio é introduzido. À medida que uma corrente elétrica passa pelo vaso, o gás se decompõe eletricamente, torna-se ionizado (os elétrons são retirados dos núcleos) e forma um plasma.

À medida que as partículas de plasma ficam energizadas e colidem, elas também começam a aquecer. Os métodos auxiliares de aquecimento ajudam a levar o plasma às temperaturas de fusão. Partículas “energizadas” a tal grau podem superar sua repulsão eletromagnética natural na colisão para se fundir, liberando enormes quantidades de energia.

Criado por pesquisadores soviéticos no final dos anos 1960, o Tokamak foi adotado em todo o mundo como a configuração mais promissora de dispositivo de fusão nuclear. O Iter será o maior Tokamak do mundo — duas vezes o tamanho da maior máquina atualmente em operação, com dez vezes o volume da câmara de plasma.

Por que ainda não conseguimos produzir energia por fusão?

Apesar das altas expectativas, ninguém conseguiu obter mais energia de um experimento de fusão nuclear do que gastou viabilizando-o. Os cientistas têm confiança de que a ideia vai funcionar, mas acreditam que é uma questão de escala. Para fazer dar certo, você precisa que o experimento seja grande.

“A fusão precisa de recursos para realmente funcionar”, diz Ian Chapman, da agência britânica de energia atômica. “O experimento pode ser feito por um país ou pela iniciativa privada, o que você precisa é da escala e dos recursos.”

Tokamak chinês

A fusão nuclear é um fenômeno difícil de ser provocado, exigindo temperaturas da ordem de milhares de graus Celsius. Um experimento testou a capacidade do Tokamak chinês de suportar temperaturas extremas por períodos mais longos. A máquina sustentou uma temperatura 2,6 vezes maior que a do núcleo do Sol por cerca de 17 minutos e 36 segundos, representando um marco extremamente importante.