Futuro depende da fusão nuclear (e não da fissão). Mas é preciso domar estes selvagens: os neutros

Ainda não existem “jaulas” para colocar esses animais que, “domesticados”, seriam fontes infinitas de energia limpa

Marcelo Roldán Blanco 

pesquisador de materiais para fusão nuclear, Centro de Pesquisas Energéticas, Espanha 

The Conversation

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Imersa na busca por uma fonte de energia limpa e praticamente inesgotável, a humanidade enfrenta um desafio crítico que poderá definir o rumo do nosso futuro energético. 

A fusão nuclear, o processo que alimenta o Sol, tem um potencial revolucionário para satisfazer as nossas necessidades energéticas sem o desperdício perigoso da fissão nuclear tradicional.

No entanto, um obstáculo técnico impede: os danos da irradiação causados ​​pelos nêutrons aos materiais estruturais dos reatores. Temos que “domesticar” estes nêutrons para avançar porque são animais verdadeiramente selvagens, e conseguiremos isso, com materiais novos e muito mais resistentes.

Como disse o ganhador do Nobel de Física Pierre Gilles de Gennes sobre a fusão nuclear:

“Dizemos que vamos colocar o Sol numa caixa. A ideia é atrativa, mas o problema é que não sabemos como nem o que fazer a caixa.”

Animais selvagens

No centro do desafio enfrentado pela fusão nuclear estão os nêutrons de alta energia, criaturas imprevisíveis que desempenham um papel duplo no cenário da fusão.

Os nêutrons são essenciais para a geração de trítio, um isótopo vital para sustentar a reação de fusão. Eles agem da mesma forma que um fole que alimenta o fogo, mas em escala atômica neste processo revolucionário.

Como colocar a energia
do Sol em uma caixa
sem ela queimar?
ILUSTRAÇÃO: CONCEPÇÃO ARTÍSTICA

Tal como os animais selvagens podem alterar o seu ambiente, os neutrões de alta energia alteram profundamente as propriedades mecânicas e físicas dos materiais estruturais dos reatores. Afetam a integridade e, portanto, o funcionamento da “caixa” que deverá conter o futuro Sol da Fusão Nuclear.

Até agora, destruiriam qualquer caixa possível: bombardeiam todos os materiais do reator, provocam alterações em sua estrutura atômica, assim como uma bola de bilhar desloca as outras bolas no intervalo, um nêutron reorganiza os átomos que formam as estruturas, degradando suas propriedades, tornando-o menos resistente e mais frágil.

Assim, à medida que procuramos aproveitar o potencial ilimitado da fusão nuclear como fonte de energia limpa e abundante, enfrentamos o desafio de domesticar estes “animais selvagens”. Procuramos formas de mitigar o seu impacto destrutivo e garantir a viabilidade a longo prazo de uma tecnologia promissora.

Sozinho em seu habitat

Os avanços na pesquisa de materiais para reatores de fusão têm paralelos fascinantes com estudos de animais selvagens.

Assim como os zoólogos e naturalistas podem passar muito tempo observando e analisando o comportamento das criaturas no seu ambiente natural, os cientistas no campo da fusão nuclear passam inúmeras horas estudando os efeitos da irradiação nos materiais. Mas não são observados com câmeras: são utilizadas técnicas avançadas, como a irradiação com feixes de íons ou nêutrons provenientes de reações de fissão.

No entanto, não é tão fácil. O animal selvagem deve estar em seu habitat para poder estudá-lo e aprender com ele. Da mesma forma, os danos causados ​​pela radiação aos materiais devem ter sido gerados por nêutrons com energia semelhante à de fusão. E… como conseguimos produzi-los?

Quando estudamos o efeito sobre os materiais da irradiação de diferentes espécies (íons de fissão ou nêutrons) não podemos replicar exatamente as condições extremas que eles terão no futuro reator de fusão. 

Obtemos dados valiosos e aprendemos sobre a evolução microestrutural dos materiais (como os órgãos do material se adaptam ao novo ambiente), mas sempre com a ressalva de que esses ambientes controlados não captam totalmente a ferocidade e o alcance total da irradiação em condições de real fusão. 

Ou seja, observamos que os materiais se degradam sem saber se esses danos serão semelhantes, maiores ou menores.

Aceleradores de partículas

O futuro desta pesquisa promete avanços significativos com a construção de instalações como o IFMIF-DONES (International Fusion Materials Irradiation Facility - Demo-Oriented Neutron Source), um acelerador de partículas projetado para gerar nêutrons de energias semelhantes às produzidas nas reações de fusão.

Esta instalação permitirá que os cientistas estudem materiais após terem sido submetidos ao bombardeio de nêutrons que imita de perto o ambiente hostil de um reator de fusão. Isto representa uma grande oportunidade para o avanço dessa disciplina científica, pois, após ser irradiado em DONES, o material mostrará verdadeiramente suas aptidões para ser considerado um candidato a fazer parte do reator. 

Poderemos estudar como ele se comporta nesse novo habitat e avaliar se atende ou não aos requisitos. Isto é, se for capaz de domar nêutrons selvagens e, ao mesmo tempo, resistir a altas temperaturas e tensões mecânicas.

Até que estas instalações estejam operacionais, continuamos a aprender com os “animais enjaulados”, reconhecendo que, embora estes estudos não reproduzam perfeitamente o ambiente selvagem de um reator de fusão, são passos cruciais para a compreensão e domesticação dos neutrões.

Binóculos para ver o interior

A Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM) equivale a um poderoso par de binóculos que permite observar os danos que causam em escala íntima, além de ver os efeitos dos nêutrons nos materiais em nível atômico e microscópico.

Isso pode ser comparado a quando os naturalistas analisam os detalhes mais sutis da vida selvagem no seu habitat natural, captando tudo, desde os padrões mais comuns no pelo de um animal até ao reflexo da luz nos seus olhos.

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Esta técnica visualiza como a irradiação afeta a estrutura interna dos materiais e revela os danos e transformações que ocorrem no seu “DNA”. 

Ao compreender essas mudanças, podemos projetar novos materiais que não apenas sobrevivam ao bombardeio de nêutrons, mas também prosperem.

Parques de fusão nuclear

Com essas investigações poderemos encontrar os materiais que resistirão às condições extremas da caixa que conterá o Sol e traçarão o caminho para uma fonte de energia limpa e praticamente ilimitada.

Sem abandonar a metáfora, o caminho a seguir na investigação sobre fusão nuclear assemelha-se à expansão de uma reserva natural. Para conservar os ecossistemas, diferentes países e organizações unem forças. ITER, ou os já mencionados IFMIF-DONES, são os futuros “parques nacionais protegidos da fusão”. E representam um esforço conjunto para criar um ambiente controlado onde as reações de fusão possam ser observadas e tecnologias nunca antes imaginadas possam ser testadas.

A observação detalhada através do TEM, a colaboração internacional em projetos como o ITER e a utilização avançada de simulações computacionais delineiam um caminho promissor para a obtenção da energia de fusão.

É assim que os nêutrons serão domesticados como se fossem animais selvagens. Mas será apenas o começo?

> Este artigo foi publicado originalmente em espanhol.

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