Laboratório Nacional Desbloqueia Fusão Nuclear - Verdadeiro Avanço, Lei de Novidade ou Ambos?

NA fusão uclear tem sido o Santo Graal da energia verdadeiramente limpa. O esmagamento de átomos de hidrogênio promete eletricidade ilimitada com emissão zero de carbono, um mínimo de lixo radioativo e chance zero de colapso catastrófico. Mas, por meio século, os cientistas de fusão foram limitados pelo poder de seus lasers e pela força de seus campos magnéticos - nunca antes de descobrir como extrair mais energia de seu esmagamento atômico do que eles colocaram. Até agora.

Hoje os cientistas do Instalação Nacional de Ignição no Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) na Califórnia revelará que no início de dezembro, pela primeira vez, eles conseguiram obter um ganho de energia superior a 1 - ou seja, mais energia foi emitida a partir das reações dentro de sua cápsula de combustível deutério-trítio (2,000 megajoules) do que estava contido no 192 lasers com que eles explodiram.

É um grande negócio, vale a pena comemorar, mas é uma conclusão precipitada, diz Debra Callahan, uma física de plasma que recentemente deixou a equipe de fusão do LLNL para se tornar diretora científica da startup Energia Focada, que já está trabalhando para comercializar a abordagem.

Callahan sabia que o LLNL alcançaria ganho líquido de energia depois que, no ano passado, eles atingiram uma produção de energia de 72% de suas entradas de energia de laser. “Não é uma surpresa para mim. Considerando a caminho de resultados que vimos, isso ia acontecer ”, diz ela. Eles só precisavam de um pouco mais de potência do laser. Então, como isso funciona? Imagine um pequeno cilindro oco feito de ouro que cabe na palma da sua mão. Isso é chamado de Hohlraum. Dentro do hohlraum vai uma pequena cápsula de combustível dentro da qual estão os átomos de deutério e trítio.

Eles usam ouro porque ele retém os raios-x que são produzidos quando eles explodem cada extremidade do hohlraum com 173 dos lasers mais poderosos do mundo. Callahan diz: “É como um forno de raios-x”, que comprime tanto o combustível que implode e inicia a fusão entre os átomos no centro da cápsula. A fusão então se propaga em uma onda a partir do centro, emitindo um calor prodigioso. Tudo isso acontece em um bilionésimo de segundo.

Por que Callahan deixou o LLNL quando eles estavam à beira do sucesso? Porque, diz ela, a National Ignition Facility não é uma máquina de fusão. O hohlraum é ótimo para demonstrar a ignição, mas não é necessariamente eficiente o suficiente para a engenharia de fusão pulsada contínua porque muita energia residual do laser é perdida ao aquecer o ouro em vez do combustível de hidrogênio. Então, em Focused Energy (apoiado por Laboratório de Movimentadores Principais e Novos Associados Empresariais) o plano deles é descartar o hohlraum e, em vez disso, usar uma abordagem de “acionamento direto” – disparando os lasers diretamente em uma cápsula de combustível (veja o esquema).

Eles ainda não demonstraram que funciona, mas Callahan está confiante de que em alguns anos seu projeto piloto atingirá um ganho de energia 10 vezes maior. Isso será seguido por uma segunda usina atingindo um ganho de 30x, seguido pelo que no final da década de 2030 seria seu primeiro gerador comercial, alcançando um ganho de energia de 100x e explodindo 10 cápsulas de combustível a cada segundo.

Mas aí estava um desafio particular. A 10 por segundo, sua máquina usaria quase 900,000 cápsulas por dia. Isso não é como colocar carvão em uma fornalha; cada cápsula precisaria ser fabricada de acordo com padrões exigentes e injetada na máquina no tempo certo.

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Isso é realista? Alguns concorrentes de fusão não pensam assim. A General Fusion é uma empresa de fusão com sede em Vancouver, Canadá, que anunciou ontem seu próprio marco. Sua abordagem é chamada de fusão de alvo magnetizado e envolve uma máquina onde eles injetam uma bola de plasma de hidrogênio na máquina e usam ímãs poderosos para segurá-la enquanto comprimem com pistões mecânicos em vez de lasers. O CEO Greg Twinney espera que a planta piloto que a General Fusion está construindo no Reino Unido demonstre a fusão em 2027, com o projeto comercial pronto no início da década de 2030. “Quando vemos notícias como esta não ficamos surpresos”, diz ele. Mas a abordagem do LLNL não pode ser extrapolada para uma fábrica de fusão em funcionamento, que é o que a General Fusion (apoiada por US$ 300 milhões de Jeff Bezos, ShopifyLOJA
CEO Tobias Lutke, e Temasek, entre outros) se propuseram a fazer desde o início. “Tudo o que fazemos é focado em uma usina de energia comercial”, diz ele. “Se funcionar em um experimento científico, mas não for comercial, não estamos interessados ​​nisso.”

A notícia do LLNL gerou uma resposta semelhante do CEO David Kirtley, da startup de fusão com sede em Seattle. hélio, apoiado por US$ 600 milhões dos magnatas da tecnologia Peter Thiel, Sam Altman, Dustin Moskovitz, Reid Hoffman e Jeff Skoll. “Estamos entusiasmados por eles terem atingido seus marcos científicos para sua máquina”, diz Kirtley. Mas ele não se sente ameaçado por “um dispositivo de pesquisa não projetado para produzir eletricidade”. Por outro lado, a operação da máquina de fusão de 60 pés de comprimento da Helion envolve a injeção de bolas de plasma em cada extremidade, colidindo-as em uma reação de 100 milhões de graus controlada por intensos campos magnéticos. No novo sistema de Helion, a energia liberada nas reações de fusão empurra continuamente seu campo magnético de contenção, que empurra de volta – causando oscilações “como um pistão”, diz Kirtley, que gera uma corrente elétrica, que Helion captura diretamente do reator. (Para saber mais, leia Lei de indução de Faraday.)

A Helion está construindo seu 7º protótipo e projetando seu 8º, que Kirtley espera que seja o primeiro gerador de fusão comercial – possivelmente conectado à rede elétrica até o final desta década, se tudo correr bem. Ele diz que os reguladores nucleares federais parecem dispostos a sujeitar suas máquinas às mesmas regras que os aceleradores de partículas e o tipo de máquinas de imagem usadas em hospitais.

E há muitas outras empresas que seguem a abordagem mais estabelecida para a fusão - a tokamak conceito, no qual bolas de plasma são injetadas em uma câmara de reator em forma de rosquinha oca, controlada por poderosos campos magnéticos. Fusão da Comunidade, um spinoff do MIT, está buscando aperfeiçoar o tokamak usando materiais supercondutores de temperatura ultra-alta que o CEO Bob Mumgaard acredita que permitirá que eles tenham um dispositivo de fusão funcional até o final da década. O mesmo vale para a General Atomics, com sede em San Diego (mais conhecida por inventar o drone Predator), que opera um tokamak para o Departamento de Energia há décadas e está projetando uma nova máquina. GA também construiu indiscutivelmente o ímã mais poderoso do mundo, chamado solenóide central, para o maior projeto de fusão do mundo, o US$ 30 bilhões ITER em construção na França. Se as outras startups de fusão conseguirem o que querem, o ITER ficará obsoleto antes mesmo de ser concluído na próxima década. Espalhando suas apostas, a GA (do bilionário Neal Blue) tem uma parceria com o Savannah River National Lab para fabricar pastilhas de combustível para máquinas de fusão a laser como LLNR e Focused Energy.

Com quem você fala no campo da fusão, suas críticas aos reatores de fissão nuclear há muito estabelecidos são as mesmas. As reações de fissão (nas quais grandes átomos de urânio enriquecido são quebrados) produzem resíduos radioativos, incluindo plutônio e actinídeos perigosos que podem ser transformados em armas. Ao contrário da fusão, que é difícil de iniciar e fácil de interromper, as reações de fissão são fáceis de iniciar e difíceis de interromper, introduzindo o risco de derretimentos catastróficos. Projetos mais recentes, como o Westing House AP1000 O reator de fissão, em construção nos EUA e na China, apresenta medidas de segurança passiva e é praticamente à prova de colapso.

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Alguns empresários atômicos acham que a fissão é suficiente. Bret Kugelmass, fundador e CEO da última energia, partiu há cinco anos para projetar o reator nuclear mais eficiente e econômico do mundo. Antes de definir sua abordagem, Kugelmass, agora com 36 anos, entrevistou centenas de especialistas da indústria nuclear (e colocou as conversas em seu Titãs do podcast Nuclear) para reunir a sabedoria coletiva da indústria. Embora tenha fé no futuro da fusão a longo prazo, Kugelmass determinou que a melhor aposta do mundo para a transição dos combustíveis fósseis é a construção de reatores de fissão modulares da maneira mais simples, barata e segura possível. Em sua fábrica perto de Houston, a Last Energy está fabricando seus primeiros pequenos reatores modulares de água pressurizada, que utilizam componentes prontos para uso, provenientes de cadeias de suprimentos nucleares existentes, com tecnologia que foi aperfeiçoada ao longo das décadas e é usada em mais de 300 reatores em todo o mundo.

A Last Energy já vendeu 10 de suas unidades de 20 megawatts para um cliente na Polônia, mais duas para a Romênia e um punhado para a Grã-Bretanha. Kugelmass diz que sua propriedade intelectual não está nos componentes comprovados, mas em como colocá-los todos juntos. Até agora, ele arrecadou US$ 24 milhões liderados por Gigafund, e espera que os primeiros reatores na Polônia estejam funcionando em 2025. Para financiar as máquinas, a Last Energy celebra contratos de compra de energia de longo prazo prometendo aos clientes décadas de energia nuclear de carbono zero a preços abaixo do mercado. “Conseguimos conquistar um nicho desejável que ninguém buscava”, diz Kugelmass. “Colocamos em caixa preta toda a operação.”

Por mais atraente que seja a promessa da fusão, se Kugelmass seguir seu caminho nas realidades competitivas da fissão estabelecida e confiável, ainda poderá relegar seu novo primo à lata de lixo dos heróicos fracassos tecnológicos - lembra-se do Betamax, Google Glass e New Coke?

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