Thread by @CienciaEscura

Um dos problemas do nosso século é suprir a demanda de energia elétrica sem causar danos ao meio ambiente, reduzindo o uso de combustíveis fósseis. Como contornar esse problema?

Na thread de hoje, o Ciência Escura traz uma thread sobre Fusão Nuclear.

Segue a thread!!!

Vocês podem estar se perguntando: "Mas, energias eólica, solar, hidroelétrica e nuclear não dão conta de serem fontes de energia limpa?"

Bem, a princípio, sim, mas existem problemas técnicos que fazem elas serem pouco produtivas ou danosas ao meio ambiente.

Energia eólica - os problemas:
- Velocidade do vento - os geradores eólicos precisam de ventos constante de pelo menos 10 km/h. O pico de produção é quando os ventos são de 50-60 km/h.
- Eficiência - geradores eólicos tem eficiência entre 35-45% somente.

Energia solar - os problemas:
- Eficiência - placas solares tem eficiência de aproximadamente 18%. Ou seja, a cada 100 de energia que a placa recebe, só 18 é convertido em energia elétrica.
- Preço - a construção das placas é muito cara, o que torna economicamente inviável.

Energia por hidrelétrica - os problemas:
- Represamento - é preciso represar a água de um rio num imenso lago, inundando uma grande área e perdendo a flora e fauna local.
- Mudança do curso de rios - é necessário que os afluentes alimentem diretamente a represa

Energia nuclear - os problemas:
- Lixo radioativo - os restos de urânio/plutônio enriquecido são materiais radioativos por uns 4.4 bilhões de anos.
- Acidentes - o potencial de acidentes nucleares catastróficos como em Fukushima e Chernobyl, fazendo áreas inabitáveis por milênios

Bem até aqui, falamos dos problemas de todas as fontes de energia limpa. O mais correto é diversificar as fontes de energia limpa ao máximo, mas mesmo assim não conseguimos substituir toda produção de energia por combustíveis fósseis.

Como resolvemos isso?

Há uma possível saída: vamos olhar para o nosso Sol!!
Como ele produz energia? Por fusão nuclear!!!

Mas antes, vamos diferenciar o que é a energia a base de fusão nuclear e o que é a energia nuclear:

Energia nuclear é a base da quebra do núcleo de urânio/plutônio, liberando energia, partículas e radiação, que aquece uma água que gira uma turbina. Já a fusão nuclear é feita quando combinamos 2 partículas em uma só, liberando energia que aquece uma água, girando uma turbina.

A fusão mais elementar é quando juntamos 2 partículas mais simples: 2 átomos de hidrogênio.

Especificando, é a fusão de 1 deutério (hidrogênio com 1 nêutron) com 1 trítio (hidrogênio com 2 nêutrons), formando hélio + energia. Essa é a reação que o Sol faz por 4 bilhões de anos.

Porém, não é tão fácil de fazer fusão nuclear. Primeiro, esses hidrogênios tem que estar no estado de plasma (é quando os elétrons dos átomos se separam completamente do núcleo) e, como os núcleos atômicos são cargas positivas, eles se repelem.

Então, temos que vencer essa repulsão dos núcleos para conseguir juntá-los. Como? Aquecendo esse plasma.

Se aquecermos o suficiente, esse plasma estará tão agitados que os núcleos estarão se movendo muito rápido e a repulsão não conseguirá freia-los.

Mas não adianta aquecer, se não tiver algo que mantenha todo mundo juntinho, porque senão será bem difícil de 2 núcleos se chocarem.

Para isso, o Sol tem um truque: a gravidade. Infelizmente, não temos a gravidade que o Sol tem, então temos que usar uma alternativa: Magnetismo.

De forma bem simplificada, o Magnetismo é uma força da Natureza que faz cargas elétricas fazerem curva.

Como os núcleos são cargas positivas, podemos usar o magnetismo para fazer com que, quando aquecemos o plasma, ele fique confinado num local.

Para isso, usamos um dispositivo chamado de 'bobina'. Funciona assim, liga numa tomada e ele gera um campo magnético que faz o plasma ficar preso num local.

A figura abaixo demonstra como as partículas do plasma se comportam quando tem um campo magnético

Seria muito lindo se isso funcionasse perfeitamente, mas a Física é ingrata. Magnetismo é bem difícil de controlar e aparece uns efeitos esquisitos que fazem que existam problemas.

A teoria que descreve isso tudo se chama MHD.

MHD é um acrônimo para Magnetohydrodynamics (em português: Magnetohidrodinâmica). Ela estuda fluídos como a água, mas que são susceptíveis ao magnetismo. Essa teoria prevê esses problemas, mas são super difíceis de resolver diretamente, além de serem sensível ao ambiente inserido

O principal desafio dos cientistas hoje é saber controlar as bordas desse plasma por meio dessa teoria MHD.

É pelas bordas que se perde energia e partículas. Isso é ruim porque queremos que a fusão seja a mais eficiente possível e isso passa por diminuir ao máximo as perdas.

Quão perto estamos de resolver esse problema? Teoricamente, não tem solução ainda, a saída é usar experimentos e tentar aprender na marra.

Mas, os avanços são grandes. Um exemplo de experimento usado hoje é o JET (Joint Experiment Torus) que fica na Inglaterra, em Oxfordshire

É uma máquina em formato de Toro (rosquinha) e é o maior reator de experimento em fusão nuclear no momento.

É uma máquina de 6 metros de diâmetro e 4.2 metros de altura. Dentro dela, passa um plasma a aproximadamente 100 MILHÕES °C

Mas queremos chegar mais perto de podermos produzir energia elétrica.

No Sul da França, um consórcio internacional de vários países europeus e o EUA está construindo o maior reator de fusão nuclear já feito: o ITER (International Thermonuclear Experiment Reactor).

Esse reator será o 1º que conseguirá chegar perto da eficiência mínima para a produção de energia elétrica.

Ele terá um diâmetro de 12 metros e passará um plasma a 150 MILHÕES °C. Será a maior temperatura da nossa galaxia!!!!

QUÃO SEGURO É A FUSÃO NUCLEAR?

Primeiramente, o processo precisa de uma energia mínima para acontecer, ou seja, caso aconteça algum problema, basta tirar energia (esfriar) o reator, para que ele pare o processo.

Além disso, ele só precisa de hidrogênio (deutério e trítio). O deutério tem aos montes no mar, enquanto o trítio é produzido facilmente por uma reação química simples. Como produz hélio, o impacto ambiental é muito pequeno (eles podem ficar enchendo balão e vendê-los).

Portanto, é uma matéria-prima barata.

Outra questão: não produz radiação!!! Então, não tem problema de exposição ou lixo radioativo.

QUEM TRABALHA NO PAÍS NA ÁREA DE FUSÃO NUCLEAR??

O Brasil tem os únicos reatores experimentais de fusão nuclear do Hemisfério Sul: são 2. Um fica em São José dos Campos, no INPE. Ele foi produzido totalmente no Brasil e é usado para a pesquisa de reatores com formato esférico.

O outro é o TCABR, que fica no Instituto de Física na USP. Esse é um reator pequeno, usado para diversos experimentos. É nesse laboratório que Ricardo Galvão, ex-diretor do INPE, trabalha com o equílibrio e instabilidades em plasmas. Lattes: lattes.cnpq.br/14432605851803…

Nesse mesmo laboratório, trabalha o professor Gustavo Canal. Ele estuda sobre Instabilidades em bordas de plasma e confinamento magnético. Currículo Lattes: lattes.cnpq.br/65091615952369…

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Até a próxima thread!!!