Fusão Nuclear: Alternativa para o futuro?

Por: Marcelo Knobel

I. Introdução
Ao fundir núcleos atômicos leves (tais como os isótopos do Hidrogênio, o Deutério e o Trítio) há uma enorme liberação de energia, processo que é conhecido como fusão atômica. Esse processo é similar ao que ocorre no interior do Sol e de outras estrelas, e poderá vir a ser uma fonte de energia ilimitada para gerações futuras. Para realizar fusões que efetivamente liberem grandes quantidades de energia é necessário que um gás formado pelos isótopos do Hidrogênio seja aquecido até temperaturas elevadíssimas (100 milhões de graus centígrados) seja mantido confinado por pelo menos um segundo, o que pode ser conseguido usando confinamento magnético. Uma das configurações mais utilizadas é chamada tokamak, palavra russa que significa câmara magnética em forma de toróide.  
Apesar dos enormes avanços na tecnologia e no entendimento dos fenômenos físicos que ocorrem durante a fusão nuclear, ainda não se tem certeza se o potencial da fusão nuclear poderá ser efetivamente realizado de uma maneira economicamente viável. Existem diversos programas, em diversos países, com um objetivo global de elevar a tecnologia de fusão a um estágio comercialmente aceitável para a geração de energia elétrica para o 2040-2050. Esses programas se baseiam em diversos estudos que indicam que nos meados do próximo século a demanda de energia elétrica será muito maior do que é hoje em dia, com o agravante da escassez de recursos fósseis (e das restrições ao seu uso por motivos ambientais). De fato, a fusão nuclear apresenta uma vasta lista de qualidades de segurança ambiental. Não há reações em cadeia, e a radiotoxicidade dos detritos de uma planta de fusão nuclear é comparável à radiotoxicidade dos detritos provenientes de uma usina termo-elétrica. Os detritos não apresentam efeitos acumulativos para gerações futuras. Além disso, a fusão não produz mudanças climáticas ou emissões poluidoras da atmosfera. Entretanto, apesar de representar a possibilidade de conquistar uma fonte de energia inesgotável, com muitos benefícios para o nosso meio ambiente, as pesquisas em fusão nuclear não vem sendo suficientemente apoiadas, talvez devido aos enormes avanços que ainda devem ser alcançados e ao investimento considerável que essa inciativa representa.

II. Breve Histórico da Fusão Nuclear
A investigação sistemática para produzir energia através de “reações termonucleares controladas” (mais conhecida simplesmente como “fusão nuclear”) começou no final da Segunda Guerra Mundial. Embora colisões individuais entre núcleos leves possam originar a produção de uma grande quantidade de energia, parecia impossível conceber uma instalação onde a potência produzida fosse maior que a potência consumida. Entretanto, a inspiração na astrofísica, e o desenvolvimento da física dos plasmas e a física nuclear fizeram com que essa possibilidade fosse considerada como algo mais do que meramente um sonho.
As pesquisas foram iniciadas em Los Alamos (E.U.A.), com claras motiviações bélicas para produzir uma bomba de fusão (denominada “Super”), e houve a construção de algumas instalações, tais como o “Stellerator” (idealizado por Lyman Spitzer em Princeton) e o “Perhapsatron” (lançado em Los Alamos pro James Tuck). Nesse período, um dos países mais avançados nessas investigações era a Inglaterra, mas pesquisas paralelas vinham também ocorrendo na União Soviética (em 1951 Andrei Sakharov e Igor Tamm conceberam o Tokamak, toroidalnya kamera magnetnaya katushka), que entretanto só divulgou parte de suas pesquisas ao mundo em 1956. Apesar da Guerra Fria, já naquele período os Soviéticos notaram a necessidade de compartilhar estudos e tecnologias, dada a complexidade do tema.   
Por se tratar de um assunto muito ligado à estrutura militar, quase todos os trabalhos eram realizados de maneira secreta. Em 1958 houve um avanço importante a partir da conferência “Átomos para a Paz”, que foi realizada em Genebra. Nessa conferência ficou claro que era fundamental a troca de informação para poder evoluir no entendimento da física do Plasma.
Pesquisas básicas e aplicadas se seguiram nos anos seguintes, sendo que nos anos setenta a investigação em fusão tornou-se um segmento importante na atividade científica, e o custo e complexidade dos dispositivos tornou necessária o estabelecimento de grandes colaborações internacionais para juntar esforços e financiar os projetos. Em 1978 foi iniciada a construção do projeto JET (“Joint European Torus”) [http://www.jet.efda.org] na Inglaterra, que produziu o seu primeiro plasam em 1983, e só atingiu condições de funcionamento estáveis em 1991. Nos Estados Unidos, a pesquisa forte na área é realizada em Princeton, nos tokamaks PLT e TFTR (“Tokamak Fusion Test Reactor”). No japão, o tokamak JT-60 iniciou a operação em 1988, continuando hoje em dia no JT-60U (de Upgrade) [http://www-jt60.naka.jaeri.go.jp/].
Já hoje em dia é necessária uma quantidade de recursos tão grande que só pode ser concretizada através de cooperações mundiais. Nesse sentido, existe um projeto, denominado ITER (“International Thermonuclear Experimental Reactor”) [http://www.iter.org/] que tem como objetivo principal demonstrar que é possível o uso de energia de fusão para fins pacíficos. O projeto ITER foi iniciado em 1992, como um projeto conjunto entre a União Européia, E.U.A., Japão e Rússia e em 1998 acabou a fase de desenho e engenharia, e foi montado um orçamento para construir um complexo de fusão nuclear completo. O valor total estimado de 6 bilhões de dólares assustou particularmente os políticos americanos, e os Estados Unidos decidiram sair do projeto. Como resultado dessa saída, os custos e os objetivos tiveram que ser reajustados pela metade, e em fevereiro de 2000 foi anunciado o novo desenho, com custo estimado da ordem de US$ 3 bilhões, mas com um objetivo muito mais acadêmico que o anterior. Ou seja, o ITER vai buscar uma reação auto-sustentada, e ganho efetivo de energia, mas a ambição de ser um protótipo de uma usina real foi eliminada. O ganho a ser obtido não será economicamente viável para uma instalação real, mas buscará estabelecer as bases experimentais para mostrar que isso é possível. No momento há fortes discussões no plano político, para saber onde irá ser construído o reator (Canadá e Japão são os candidatos mais fortes), para saber como será distribuída a contribuição financeira de cada país, para tentar inserir mais países, como a China, no projeto, e tentar convencer o governo americano a voltar atrás, e se unir novamente a esse enorme empreendimento [ver artigos recentes nas revistas Nuclear Engineering International (fevereiro 2000, http://www.fusion.org.uk/info/giantleap.html) e na Physics Today (março 2000, http://www.aip.org/pt/mar00/iter.htm)]. De um ponto de vista histórico, como vimos, a pesquisa em fusão sempre esteve muito ligada com a política e com a economia, e segue assim até os dias de hoje.

III. Física da Fusão e funcionamento do reator termonuclear
A massa de um núcleo atômico é menor que a soma das massas de seus elementos constituíntes, os prótons e os nêutrons. Por exemplo, se juntarmos dois prótons com dois nêutrons para formar um núcleo de hélio, haverá uma perda de massa. Essa perda é manifestada na liberação de uma enorme quantidade de energia. O processo de construir núcleos a partir de prótons e nêutrons, ou núcleos mais pesados a partir de núcleos mais leves, é chamado fusão nuclear. Acredita-se que todos os elementos do universo tenham sido originalmente formados pelo processo de fusão. A fusão ocorre continuamente no interior das estrelas, inclusive o nosso Sol, e é justamente esse processo de reações de fusão que produz a energia emitida pelas estrelas. Uma estrela começa a brilhar quando a matéria no seu núcleo atinge, por efeito de forças gravitacionais, densidades e temperaturas suficientes para desencadear reações de fusão que liberam energia, e equilibram dinamicamente a força gravitacional, emitindo radiação para o espaço. Em uma primeira etapa, a cadeia principal de reações consiste na fusão de quatro núcleos de hidrogênio e em dois núcleos de Hélio, com a subsequente emissão de fótons, neutrinos, elétrons e pósitrons. Em uma escala menor, o hélio também começa a fundir-se para formar elementos mais pesados como berílio e boro, também com produção suplementar de energia. Nas estrelas com muita massa, quando o hidrogênio foi completamente consumido, a gravitação domina, e comprime o núcleo da estrela, tornando possíveis as reações de fusão de hélio. Numa sucessão de contrações e novas cadeias de reações termonucleares, novos elementos químicos são produzidos. Quando as reações termonucleares não podem mais ocorrer (uma vez que o núcleo é de ferro, por exemplo) seu ciclo de vida termina. Dependendo de sua massa, entre diversas possibilidades, a estrela pode explodir de uma maneira espetacular como uma nova, ou pode morrer devagar, como uma anã branca.  
Sendo assim, a vida na terra depende diretamente da energia que recebemos das reações fusão que ocorrem no sol. O desafio das pesquisas em fusão é reproduzir essas reações na terra, de uma maneira controlável, para usar também aqui essa incrível possibilidade de produzir grandes quantidades de energia.
Para nós, as reações de fusão de importância prática envolvem os dois isótopos do hidrogênio, o deutério (D), que contém  um nêutron além do próton, e o trítio (T), que contêm um próton e dois nêutrons. A principal reação a ser considerada é a seguinte:
D + T --> He + n + 17,6 MeV
que indica que ao juntar um núcleo de deutério com outro de trítio, forma-se um núcleo de hélio, um nêutron e ainda sobram 17,6 MeV de energia. Grama a grama, a reação de fusão libera mais energia do que a fissão, e quase não produz rejeitos radioativos. Além disso, o principal combustível, deutério, é abundante na água do mar (uma em cada 3500 moléculas de água contêm o isótopo D, e portanto essas moléculas são conhecidas como "água pesada"). Já o trítio é radioativo, com uma meia-vida de 12,36 anos, e portanto não ocorre naturalmente. Mas ele pode ser inteligentemente "fabricado" no próprio reator nuclear. 
A idéia é que nos reatores, os nêutrons (que carregam cerca de 80% da energia produzida) seriam absorvidos em uma camada fértil ("blanket" em inglês) que é construída ao redor do núcleo do reator. Essa camada contém lítio (Li), que ao reagir com o nêutron pode produzir trítio e hélio:
6Li + n --> 4He + T + 4,86 MeV
7Li + n --> 4He + T + n – 2,5 MeV
O lítio natural (com 92,5 % de 7Li e 7,5% de 6Li) é um elemento abundante na crosta terrestre (30 g/m3). O trítio produzido nessa camada fértil poderia ser reaproveitado como combustível para a reação de fusão. A camada fértil de um reator deve ser suficientemente espessa (cerca de 1 m) para retardar os nêutrons de fusão de aproximadamente 14 MeV. Ao desacelerar os nêutrons essa camada aquecerá, e então basta fazer circular um fluido para retirar ao calor da zona do reator para produzir vapor e finalmente eletricidade, através de métodos convencionais usados em usinas termoelétricas, por exemplo.
Aqui já ficam claras as vantagens intrínsecas da fusão. (a) Os combustíveis básicos, tais como o D e Li são não-radioativos, abundantes e distribuídos de forma bastante uniforme na crosta terrestre. (b) A combustão não pode ocorrer de maneira descontrolada, pois basta parar de injetar combustível fresco que as reações terminam em algumas dezenas de segundos. (c) Os problemas com resíduos são limitados, pois não existem rejeitos radioativos, e o tratamento de gases não queimados é feito no local. Os componentes estruturais do reator que se tornarem radioativos através da exposição aos nêutrons terão que ser armazenados, mas selecionando cuidadosamente esses materiais, o tempo de armazenamento poderá ser bem menor que cem anos.
Se a fusão nuclear tem tantas vantagens, por que então ela não foi utilizada até hoje como uma alternativa energética? Infelizmente, muitas dificuldades ainda existem, principalmente associadas com o fato de que os núcleos têm cargas positivas, e portanto se repelem mutuamente. Entretanto, se esses núcleos são trazidos suficientemente próximos uns dos outros, forças nuclears muito poderosas começam a atuar, e a fusão pode ocorrer. Para forçar dois núcleos a ficarem muito próximos eles devem se chocar a velocidades elevadíssimas. E para conseguir essas velocidades, altíssimas temperaturas são necessárias para provocar a fusão, e é porisso que os reatores de fusão são chamados reatores termonucleares. Nos núcleos das estrelas a própria energia resultante da fusão mantêm o processo ativo, sendo uma espécie de reator auto-sustentado. Na terra, além de ser difícil obter altas temperaturas, é muito difícil manter o processo de modo controlado. 
Após a segunda guerra mundial notou-se que a temperatura produzida por uma bomba de fissão (bomba atômica) era próxima a 100 milhões de graus Celsius, e o desenvolvimento de uma bomba termonuclear foi iniciado (conhecida como bomba de hidorgênio). A bomba de hidrogênio usava uma bomba atômica ordinária como a faísca que gera as temperaturas elevadas para alcançar a fusão, e a rápida liberação de energia da fusão provoca uma explosão devastadora. Essa liberação descontrolada de energia foi relativamente fácil de obter, mas deixar o processo mais lento e controlável para uso como fonte de energia é uma tarefa que ainda não foi alcançada. Algumas das maneiras de obter altas temperaturas é através de lasers de altíssima potência, ou com correntes elétricas de mais de 7 milhões de Ampères, ou aquecimento de radio frequência, ou micro-ondas [http://www.jet.efda.org/pages/conent/fusion4.html]. Entretanto, o problema que permanece é conter os átomos ionizados nessas temperaturas de milhões de graus. Essa espécie de gás ionizado (núcleo + elétrons) é conhecido como plasma. Como todos os materiais conhecidos vaporizam em temperaturas bem inferiores à do plasma, não há recipiente que possa conter esse gás extremamente quente. Pode-se no entanto usar um processo conhecido como confinamento inercial, similar ao que ocorre no núcleo das estrelas, mas onde a combustão dura apenas enquanto durar o combustível, sendo um processo não-estacionário. Outra possibilidade, que é configuração mais utilizada hoje em dia, é o confinamento magnético, onde campos magnéticos muito fortes são aplicados de tal modo a manter o plasma em uma região limitada do espaço (pois partículas carregadas em movimento sobrem a ação de uma força devido à presença de campos magnéticos, conhecida como Força de Lorentz). Existem diversos projetos de sistemas de confinamento magnético, mas os mais promissores são do tipo toroidal (forma de anel) e, entre esses, o mais desenvolvido é o chamado Tokamak [http://www.jet.efda.org/pages/content/fusion2.html], onde foram obtidos os melhores resultados e onde convergem as pesquisas nessa área.
Nestes reatores tipo Tokamak o plasma quente estará bem isolado, através de campos magnéticos, das paredes para evitar o resfriamento do plasma e evitar contaminação de outros átomos que podem contribuir para o resfriamento. Outro fator que pode resfriar o plasma é o acúmulo de "cinzas" de hélio (produto da combustão). A medida que o combustível vai sendo utilizado no processo de fusão, ele deve ser substituído por mais combustível e o hélio desacelerado deve ser removido. Entretanto, inicialmente esses núcleos de hélio (conhecidos como partículas alfa) são fundamentais para manter a temperatura do plasma e portanto dar continuidade às reações de fusão. Quando a potência dissipada pelas partículas alfa é suficiente para manter a temperatura do plasma a reação se torna auto-sustentada, e essa condição é chamada de ignição. O grande desafio das investigações de fusão controlada é atingir a condição de ignição, ou seja, garantir a combustão do plasma através da energia cinética dos sub-produtos confinados da reação de fusão. Em um reator que funcione com uma mistura de D-T as reações serão auto-sustentadas pela energia cinética dos átomos de hélio, que será suficiente para manter a temperatura e densidade de combustão, sem qualquer energia exterior. Dessa maneira, a energia liberada pelo reator será maior que a energia necessária para iniciar as reações de fusão (elevar a temperatura, confinar o plasma), e a razão entre essas energias é chamada de ganho. Quando o ganho Q é maior que 1 o reator produz mais energia do que a que ele consumiu. 
Parece simples, mas a tecnologia envolvida em cada uma dessas etapas é um desafio tecnológico para esta geração, e gerações futuras. Até os dias de hoje, o recorde de ganho é aproximadamente Q=0,6, obtido no JET (Inglaterra). Para uma estação de potência real, o valor de Q deveria ser da ordem de 30, e o novo desenho do ITER prevê a obtenção de ganhos entre 5 e 10. Entretanto, para alcançar esses objetivos deve-se aprimorar a tecnologia das bobinas supercondutoras, necessárias para aplicar campos magnéticos elevados. Devem-se desenvolver melhores componentes, com excelentes propriedades termo-mecânicas, para o revestimento das paredes expostas ao plasma. Deve-se estudar mais profundamente a tecnologia de produção de trítio e purificação de gases de saída, além de cuidadosos estudos de segurança e impacto ambiental, incluíndo tratamentos de resíduos e controle de possíveis falhas. 

IV. Investimentos e  Perspectivas futuras
Todos os especialistas na área de fusão nuclear concordam que os reatores seriam excessivamente caros para os padrões atuais, e que a tecnologia envolvida na construção e funcionamento de tais usinas ainda não está completamente desenvolvida. E é justamente esse o ponto mais delicado da questão, pois para avançar nas pesquisas e no desenvolvimento de protótipos são necessários investimentos enormes, sem a garantia de sucesso dos resultados a serem alcançados. Essa é portanto uma aposta que a maioria dos governos não quer assumir, provavelmente sobrepujados pelas necessidades imediatistas e eleitorais dos economistas e políticos, pois resultados efetivos só seriam observados em cinquenta, talvez sessenta anos. Por outro lado, mesmo insatisfeitos com os recursos até agora obtidos, os cientistas envolvidos com a fusão nuclear continuam a ser bastante otimistas, graças aos enormes avanços alcançados nas pesquisas nos últimos anos. 
Permanece ainda a dúvida: vale a pena investir grandes quantidades de dinheiro nas pesquisas em fusão nuclear? A resposta, é claro, depende de previsões para o futuro, e por mais realistas que sejam, diferentes cenários imaginários podem levar a conclusões distintas. Por exemplo, além de ser uma fonte de energia limitada, se os cientistas conlcuírem que a queima de combustíveis fósseis está provocando de fato mudanças irreversíveis no clima da terra, temos que pensar urgentemente em soluções alternativas. Nessas alternativas podemos incluir as fontes de energia ditas renováveis (como hidroelétrica, solar, eólica, marés, geotérmica, biomassa, etc...), a fissão e a fusão. As fontes de energia renováveis serão cada vez mais importantes, mas não conseguirão suprir todas as necessidades globais, que vêm crescendo continuamente ano após ano. A fissão nuclear poderia suprir essas necessidades, mas tem as suas desvantagens óbvias com relação ao impacto ambiental. Considerando então esse cenário, a alternativa da fusão parece óbvia, mas o empecilho continua sendo econômico. De  acordo com B.H. Ripin [http://www.sciam.com/askexpert/physics/physics17.html]: 
"Então, a questão que realmente fica é a seguinte: Podemos nos arriscar a não perseguir vigorosamente a fusão? Uma nova usina nuclear custa entre 1 e 10 bilhões de dólares hoje em dia; uma nova geração de usinas custaria o total de 10 trlhões de dólares! O financiamento das pesquisas em fusão nuclear em torno de 1 bilhão de dólares por ano, mesmo por mais 50 anos, é uma aposta razoável? No meu entender, sim." (tradução livre do autor)
Mas também há muitos críticos sérios ao dispêndio de dinheiro com pesquisas em fusão, relacionados com a exiquibilidade e implementação de plantas nucleares, com os probleas de resíduos e proliferação, e com o seu custo total. Por exempo, Edwin Lyman, do Nuclear Control Institute, E.U.A., diz o seguinte [http://www.aip.org/pt/mar00/iter.htm]:
“É realmente um sonho regressivo tentar fazer a energia de fusão funcionar. Se algo como as dezenas de bilhões gastos na pesquisa e desenvolvimento de fusão tivesse ido para pesquisas em energias leves e renováveis, tais como solar e eólica, quem sabe onde estaríamos agora…” (tradução livre do autor)
Além dos custos, os governos devem-se lembrar que não se trata de uma simples aposta. Se trata de investir no futuro da própria humanidade, tanto do ponto de vista energético, quanto da preservação do meio-ambiente. Como mínimo, devem-se manter os investimentos necessários para sustentar a pesquisa em uma área tão interessante. Inúmeros exemplos na história da humanidade demonstraram que é extremamente difícil apostar no futuro, mas que a aposta em ciência básica quase sempre resulta em algo proveitoso, muitas vezes inimaginável no momento do nascimento das pesquisas naquela área. Vale a pena destacar neste ponto as palavras, escritas em 1993, do eminente cientista John D. Lawson (especialista em fusão nuclear) [http://www.cfn.ist.utl.pt/port/expofusao/prefacio.htm]:
"Estamos ainda longe do objetivo final? Tal como podemos conceber atualmente, mesmo com a demonstração do ponto de vista físico e técnico que se espera do ITER, um reator de fusão confiável seria tão complexo que segundo os critérios econômicos atuais seria classificado "não-econômico". Nesta altura é difícil de prever quando a investigação sobre fusão chegará ao fim e poderá fornecer uma contribuição crucial para as necessidades da humanidade. 
Seguramente, se pudermos imaginar um mundo tecnológico apoiado, estável, onde as crises políticas e ambientais atuais estejam controladas razoavelmente, então a satisfação de nossas necessidades de energia através da fusão poderá ser um ingrediente essencial do mundo futuro. É uma opção que devemos com certeza manter em aberto para os próximos anos”

Figura 1. Reator de fusão esquematizado. O hélio confinado aquece o combustível novo, sendo posteriormente extraído da câmara.  Os Nêutrons atravessam a parede e interagem com o lítio na camada fértil, produzindo trítio no próprio reator. Um líquido refrigerante circula na camada fértil e transporta o calor para produzir eletricidade. (Figura obtida do Site: http://www.cfn.ist.utl.pt/)

Figura 2. Foto do tokamak europeu JET, na Inglaterra, atualmente o maior do mundo. (Figura obtida do Site: http://www.cfn.ist.utl.pt/)

Figura 3. Esquema do confinamento magnético toroidal do tipo tokamak, onde o plasma, na forma de anel, é mantido longe das paredes do reator.  (Figura obtida do Site: http://www.cfn.ist.utl.pt/)

Obs. Este artigo foi escrito a partir de diversas páginas encontradas na Internet, e citadas ao longo do texto. Para encontrar mais informações, procurar mais referências no site: http://www.fusion.org.uk/links/index.htm