Estará a solução na energia gerada pela fusão nuclear?

Um cientista atômico analisa com franqueza as barreiras que precisam ser transpostas antes que a energia gerada pela fusão possa ser usada para Satisfazer as necessidades energéticas.

SEM DÚVIDA, o desafio de controlar a fusão (um processo de combinação) é atraente. Se pudermos realizar até mesmo uma das várias reações de fusão, digamos, a que envolve dois átomos de deutério (N.º 4 na tabela, na página 20), poderíamos utilizar infindável reserva de combustível. Uma de cada 3.000 moléculas de água em todo o mundo, inclusive nos grandes oceanos, contém um átomo de deutério. Pense só nisso! Cerca de meio litro de água tem o potencial de fornecer 400 quilowatts-hora, o fornecimento de eletricidade de todo um mês para sua família. E poderíamos ficar livres dos montes de subprodutos radioativos da fissão, das atuais usinas nucleares. Não é esta uma solução promissora para o problema energético?

O aparelho chamado ciclotron é útil para se estudar tais reações, mas não para produzir a energia em forma utilizável. É preciso muita energia para fazer com que milhões de partículas se movimentem rápido o bastante para reagirem entre si, mas apenas algumas delas se chocam com outros átomos e liberam energia; todas as demais liberam energia em pequenas doses, e esta é desperdiçada. Na experiência, utiliza-se muito mais energia do que a recuperada.

O segredo da superioridade do sol é que seu interior é tão quente que as partículas mantêm sua alta velocidade de uma colisão para outra, até que finalmente reajam entre si. Assim, pode depreender por que é tão difícil conseguir um processo utilizável de fusão na terra. De alguma forma, precisamos reproduzir um pouco do interior do sol. Mas como pode certa porção de hidrogênio ser aquecida a milhões de graus e ser mantida unida até que os átomos reajam entre si? Não existe material conhecido que possa retê-los. As substâncias mais resistentes a altas temperaturas se derretem e se vaporizam ao atingir-se alguns milhares de graus centígrados.

Na verdade, os cientistas têm demonstrado a energia gerada pela fusão na terra, mas apenas na explosão da temível bomba de hidrogênio. Naturalmente, tudo na bomba e ao redor dela se vaporiza e explode numa simples fração de segundo. Como poderia ser possível domar tão feroz monstro, e utilizar sua energia?

Fusão por Confinamento Magnético

Impossível como pareça, existe um modo em que esse problema aparentemente intransponível poderá ser transposto. É através do uso da insulação termal magnética. Eis como funciona. O hidrogênio é aquecido por uma corrente elétrica até uma temperatura tão elevada que se converte inteiramente em partículas chamadas íons. Estas consistem somente em núcleos positivos e elétrons negativos. Este é o estado da matéria chamado plasma. Se um plasma for cercado de forte campo magnético, as partículas carregadas ou íons não se podem mover em linhas retas, mas são forçadas a seguir trajetórias apertadas de saca-rolhas. Se o campo magnético tiver o formato apropriado, estas trajetórias espirais se refletirão dos dois extremos do recipiente, que se torna uma “garrafa magnética”.

Em outro projeto, as trajetórias são curvadas num círculo, num campo em forma de rosca chamado torus (toro ou toróide). Em tais engenhos, os prótons e os elétrons não podem ficar em contato com as paredes do recipiente metálico, e podem ser aquecidos a milhões de graus enquanto o recipiente permanece frio O aparelho mais bem sucedido desta espécie foi chamado de Tokamak pelos cientistas russos que o inventaram.

Não importa como o plasma seja confinado pelo campo magnético, precisa satisfazer três condições a fim de se fazer que a fusão se inicie e continue. Tais condições especificam a temperatura, a densidade e o tempo.

Primeiro, o plasma tem de ser aquecido à temperatura de ignição. A reação dos átomos de deutério e de tritio comece na temperatura mínima, de cerca de 46.000.000 de graus C. O plasma pode ser aquecido por se fazer passar uma corrente elétrica sobre ele, ou injetar um feixe de átomos de alta energia. Mas o que sempre opera contra a reação de fusão é a perda de energia resultante das colisões resvalantes. Estas produzem raios X, que prontamente escapam pelo campo magnético, assim retirando calor do plasma. O plasma precisa ser suficientemente quente para que a energia produzida pela fusão sobrepuje tal perda, de modo a se chegar ao limiar duma reação auto-sustentável.

Em segundo lugar, o plasma precisa ser comprimido para unir as partículas numa altíssima densidade, 100 bilhões (10¹⁴) ou mais em cada centímetro cúbico. E, por fim, tais condições precisam ser mantidas por um intervalo de tempo suficientemente grande para que ocorram um número mínimo de colisões. O produto da densidade multiplicada pelo tempo em segundos precisa alcançar, pelo menos, 60 bilhões (60 x 10¹²). Este número é chamado matematicamente de parâmetro de confinamento. Diz nos que, se for possível reter a densidade máxima por um décimo dum segundo, por exemplo, tal densidade tem de ser pelo menos de 600 x 10¹² para se alcançar uma fusão auto-sustentável entre o deutério e o trítio.

Pode-se comprimir o plasma pelo fortalecimento rápido do campo magnético. Ao mesmo tempo que isto aumenta a densidade, aquece ainda mais o plasma. Daí, caso o campo magnético seja projetado corretamente e consiga manter unido o plasma por tempo suficiente, o resultado será a fusão. De forma desapontadora, tem-se provado muito difícil consegui-lo. O plasma é algo irritantemente efusivo. Encontra um ponto fraco no campo magnético e se esgueira por ele, formando uma bolsa por meio da qual rapidamente escapa. Atua como uma câmara de ar cheia demais, sem o apoio dum pneu.

Já foram gastos muitos anos e milhões de dólares em esforços frustrantes para se sobrepujar tais instabilidades. Somente nos últimos dois anos é que algumas experiências trouxeram esperança de que os esforços hercúleos de domar o caprichoso plasma talvez sejam finalmente bem sucedidos. No Instituto de Tecnologia de Massachusetts, EUA, um Tokamak, chamado “Alcator”, conseguiu um parâmetro de confinamento de 30 bilhões. Mas a temperatura estava muito aquém, apenas a cerca de 10 milhões de graus C. Num teste posterior em Princeton, seu Grande Toro atingiu uma temperatura de 75 milhões de graus, bastante alta, pela primeira vez, para provocar a reação deutério-trítio. Mas, nesse caso, o parâmetro de confinamento não ultrapassou um bilhão. Assim, a chama da fusão de novo bruxuleou, e apagou-se, antes de realmente acender-se.

Estes enfoques bem próximos de chegar ao limiar do equilíbrio de energia suscitaram esperanças de que a próxima geração dos Tokomaks, maiores e mais caros, resultem em êxito. Nos próximos dois ou três anos, deve-se construir um em Princeton, nos EUA, e outro na Europa, em Culham, Inglaterra. Cada um custará cerca de US$ 300 milhões (uns Cr$ 15 bilhões). Se tais máquinas demonstrarem com êxito a fusão controlada, então os físicos nucleares estarão prontos a enfrentar outros obstáculos que restam na trilha para um reator comercial de fusão.

Um problema que espreita à frente é o acúmulo de impurezas no plasma, que o envenenam. As perdas de raios X mencionadas acima se tornam muito maiores com o aumento do número atômico. Até mesmo o hélio, elemento gasoso, provoca oito vezes maior perda que o hidrogênio. O oxigênio é 500 vezes pior. Isto significa que o plasma terá de ser mantido extraordinariamente limpo para produzir utilizável energia da fusão.

Se todos esses problemas puderem ser solucionados, que aparência terá uma usina de energia de fusão? Um projeto feito na Universidade de Wisconsin, EUA, baseado em dados muitíssimo otimistas até aqui disponíveis, fornece-nos uma idéia. O toro, ou engenho em forma de rosca, teria 27 m de altura e 44 m de diâmetro. Seria composto de 12 seções em forma de bolo, cada uma pesando 3.500 toneladas. O edifício que o abrigaria teria 102 m de altura e 120 m de diâmetro. Estas enormes seções teriam de ser fabricadas de forma a satisfazer os padrões mais rigorosos de alto vácuo. Os gigantescos ímãs que os conteriam seriam resfriados com hélio líquido até quatro graus do zero absoluto (-273° C).

Quando a usina estiver operando, com sua carga de deutério e tritio circulando no toro, a temperaturas de fusão, gerará 1.400 megawatts. Mas, a cada 90 minutos, toda esta gigantesca usina terá de ser fechada para limpeza das impurezas, e substituição do combustível. Energia alternativa terá de ser fornecida à rede elétrica durante seis minutos, neste seu fechamento periódico, 15 vezes por dia. Não é de se admirar que os dirigentes das concessionárias não estejam ansiosos de assumir a direção de tal gigante instável!

Fusão por “Laser” — Método Inercial

Outro modo possível de se conseguir a fusão controlada foi desenvolvido em secreto e só revelado recentemente. É chamado de método inercial. Um sistema desse tipo possui vários raios laser focalizados simetricamente de todos os lados, de modo a cruzarem num ponto comum. Um balão de vidro, microscopicamente diminuto, contendo uma mistura de deutério e trítio é lançado através do ponto de convergência. Quando se acha exatamente em posição, os feixes de laser são disparados. Todos atingem simultaneamente a esfera, e aquecem o pelete ou pastilha, com a potência de milhões de quilowatts numa fração de bilionésimo dum segundo. O calor súbito volatiliza a pastilha, e à medida que a esfera de vidro exterior explode, há um retroempuxo do gás, numa implosão. Isto aquece instantaneamente o combustível a calculadamente 10 milhões de graus C, e comprime o gás a uma densidade 200 vezes a normal. Embora a temperatura seja consideravelmente inferior à temperatura de ignição, é bastante elevada para provocar alguma fusão. Em alguns testes, formaram-se até 10 milhões de nêutrons. Quase de imediato, a massa explode, visto não haver nada que a mantenha junta. A fusão só continua enquanto a inércia da massa mantém unidos os átomos de hidrogênio; cessa logo que a intensa pressão os dispersa.

Este método, de alguns modos, é mais promissor de ser desenvolvido mais prontamente do que o sistema do confinamento magnético. Mas, o atual estágio de êxito não é senão uma demonstração de que tal idéia tem solidez científica. É preciso milhares de vezes mais energia para disparar o feixe de laser do que tais experiências produzem. Com lasers mais potentes, pode-se atingir uma temperatura mais alta, e a fusão se tornará mais eficiente. Lasers de 10 a 100 vezes mais potentes do que os melhores da atualidade serão necessários, para se atingir o ponto em que se possa produzir tanta energia quanto a exigida para operá-los.

Mas obter mais energia do que se gasta está a uma longa distância de se conseguir cobrir os custos. Mesmo que se possam fabricar lasers com a potência necessária, só se pode obter pouca energia duma única pastilha. Para se obter energia utilizável será preciso disparar o laser centenas ou milhares de vezes por minuto, enquanto as pastilhas caem em iguais números no alvo. Será preciso extraordinário esforço para se estender a vida útil dos geradores de laser e para fabricar as microesferas aos milhões, a um custo razoável.

Fusão: Limpa ou não tão Limpa?

Um problema que aflige ambos os métodos de fusão é a poluição radioativa. Isto se dá, apesar das afirmações às vezes feitas de que a energia resultante da fusão evitará esta maldição da poluição resultante da fissão. Algumas reações de fusão (N.^ºs 4 e 5)envolvem o trítio, o isótopo radioativo do hidrogênio. Tais reações também produzem nêutrons, que escapam para os materiais circundantes e os tornam radioativos. Examinando a tabela das reações da fusão, podemos ver que as reações no sol são “limpas”. Não envolvem nenhuma radioatividade. Mas a única outra reação em que isto se dá é a (N.º 6) entre o deutério e o hélio-3. Infelizmente, todas estas reações limpas exigem elevadíssima temperatura de ignição.

Porque a reação de deutério-trítio (N.º 5) possui a mais baixa temperatura de ignição, é a única usada na pesquisa atual, e é a que será usada nas primeiras usinas de geração de energia de fusão. Esta reação produz copiosos nêutrons, muito mais por unidade de energia do que a fissão do urânio. Tornarão fortemente radioativo tudo no reator e ao redor dele. Assim, será uma tarefa perigosa manusear e dar destinação final às partes do reator, quando precisarem de consertos ou de substituição.

Mais do que a radioativação, há os danos causados ao abrigo metálico ao redor do reator, porque os nêutrons deslocam os próprios átomos de seu lugar. Isto debilita os materiais, de modo que as seções em forma de rosca do reator magnético, por exemplo, provavelmente não durarão mais do que dois a cinco anos. A tarefa de mover tais colossais estruturas radioativas, que pesam 3.500 toneladas, e têm uma altura equivalente a nove andares, tirando-as da usina e dando-lhes uma destinação final, representa estonteante desafio. O grosso dos resíduos radioativos duma usina de energia de fusão talvez venha a ser maior do que o das atuais usinas nucleares.

Outro ponto amiúde despercebido é que o próprio trítio é radioativo. Vestígios de trítio são encontrados na atmosfera, sendo produzidos por reações dos raios cósmicos. Unidade por unidade (curie), o trítio não é assim tão perigoso quanto os produtos da fissão, como o iodo e o estrôncio, mas a quantidade exigida em estoque para um gerador de fusão seria de centenas de milhões de curies. É inevitável algum vazamento; rotineiramente, talvez possa ser mantido em apenas 10 curies por dia. Mas uma liberação acidental — afinal de contas, o hidrogênio misturado com o ar é explosivo — combinar-se-ia rapidamente em forma de água e seria disseminado de forma irrecuperável por todo o mundo. O escape de trítio de apenas uma usina poderia aumentar a concentração atmosférica global em 1.000 por cento.

Periodicamente, ouvimos notícias otimistas nos EUA sobre grande avanço no caminho da energia resultante da fusão. Estas usualmente parecem surgir justamente na época em que se solicitam ao Congresso dos EUA mais fundos para a expansão das pesquisas. Mas os fatos reais são de que a energia econômica gerada pela fusão ainda é para o futuro distante, mesmo se todas as barreiras agora reconhecidas puderem ser transpostas. Edward Teller disse que a energia utilizável, resultante da fusão por laser talvez ainda esteja a duas gerações para o futuro.

Energia Ilimitada do Gerador de Fusão

Realmente, caso alguém construísse mentalmente uma usina ideal para a energia da fusão, pareceria algo mais ou menos assim: Primeiro, tome-se bastante hidrogênio para se unir por meio da gravidade; isso soluciona todos os problemas de recipiente. A compressão gravitacional desta bola de hidrogênio aumentaria sua temperatura e densidade o suficiente para a ignição da reação de fusão. O equilíbrio entre a gravidade e a pressão interna fixaria automaticamente a velocidade da reação, de modo que não houvesse uma queima muito reduzida nem se tornasse incontrolável.

Ao invés de construir elaborados abrigos para enclausurar a radiação, nós a reduziríamos a um nível seguro, simplesmente por colocar este reator nuclear a uma tolerável distância, digamos, 160 milhões de km. Ao invés de construir linhas de transmissão para trazer a energia até nós, poderíamos fazer com que nos fosse entregue em forma de energia radiante, calor e luz. E, por fim, de modo a proteger-nos de quaisquer prótons ou nêutrons desviados do reator, só precisaríamos enrolar-nos num fraco campo magnético para provocar sua deflexão, e uma camada de ar para absorver tais partículas.

O leitor, naturalmente, reconhecerá que este tipo de reator de fusão é justamente o que nosso Criador proveu para nós, no sol. Quão gratos devemos ser de que uma infalível e ilimitada fonte de energia foi dada a todos os habitantes da terra pelo sábio Criador e Fonte de toda energia. E ela chega a nós à vontade. Não vem acompanhada de uma conta de luz e força.

[Destaque na página 19]

‘Se uma usina de fusão estivesse operando, toda a gigantesca coisa teria de ser fechada a cada 90 minutos para a remoção das impurezas e a substituição do combustível.’

[Destaque na página 21]

“Os fatos reais são de que a energia econômica gerada pela fusão ainda está no futuro distante, mesmo se todas as barreiras agora reconhecidas puderem ser transpostas.”

Reações da fusão

As reações nucleares que fornecem ao sol seu calor podem ser reproduzidas em pequena escala num ciclotron ou numa máquina similar. Nele, os núcleos de átomos leves são acelerados num campo elétrico a altíssimas velocidades. Suas energias são medidas em termos duma unidade de um milhão de elétrons-volt (Mev). Esta energia adquirida por um elétron ou próton — qualquer partícula de carga única — quando enviada através dum campo elétrico de um milhão de volts. Um feixe de tais partículas é dirigido a um alvo, a fim de provocar uma reação entre as núcleos do feixe e os do alvo.

A tabela acompanhante mostra algumas das reações da fusão que têm sido estudadas pelos físicos nucleares em seus laboratórios. Em cada caso, uma das partículas indicadas antes da flecha é fixada num alva e a outra colide com ela a alta velocidade. À guisa de ilustração, na primeira reação indicada, o núcleo de um átomo de hidrogênio choca-se com outro, fundindo-se com ele e expelindo um elétron positivo. Há uma compressão da massa, que é convertida em energia, de acordo com a famosa equação de Einstein, E = mc². Por conseguinte, as partículas formadas se separam a jato, dispondo de mais energia do que as partículas que se chocaram. Neste caso, a energia obtida é de 2.000.000 de elétrons-volt.

Em termos de comparação, quando se queima carvão produz somente quatro elétrons-volt. Nas reações nucleares, lidamos com energias milhões de vezes maiores do que nas reações química.

As primeiras três reações da tabela, segundo se crê, são as principais que ocorrem no sol. Algumas das outras reações poderão ser mais fáceis de ser conseguidas num laboratório. Notará que nas reações 3, 5, e 6, onde se produz o helio-4, os ganhos de energia são muito maiores. Isto resulta dos vínculos bem estreitos formados entre dois prótons e dois nêutrons. O hélio (He⁴) é um elemento muito estável.