Novas tecnologias de fusão-fissão para a produção de energia elétrica no Brasil

Alexandre Ferreira Ramos1,2,3, *, Miguel Vasconcelos1, Arthur Carnieto1, Adriano Barbieri1, Paula Toyota1.

1. Escola de Artes, Ciências e Humanidades, Universidade de São Paulo2. Dept. de Radiologia, Fac. De Medicina, Universidade de São Paulo

3. Núcleo de Modelagem de Sistemas Complexos, Universidade de São Paulo.

Resumo

Nesse artigo apresentamos os conceitos básicos necessários à compreensão dos reatores híbridos de fusão-fissão destinados a: tratamento de combustível nuclear usado; produção de combustíveis de fissão; geração de eletricidade. A possibilidade de desenvolver essa tecnologia e viabilizá-la economicamente ressurgiu com o recente sucesso em experimentos de fusão nuclear realizados no Lawrence Livermore Nat Lab, nos EEUU, em que foi demonstrado o ganho de energia por um combustível de fusão a confinamento inercial induzido a laser. Embora a energia excedente seja pouca para garantir o desenvolvimento de um reator de fusão comercial, as instalações laboratoriais existentes já possibilitam a pesquisa com reatores híbridos. O Brasil têm a possibilidade de participar de esforços nesse sentido mas isso significa romper com um paradigma: o planejamento energético brasileiro deve incluir não somente as possibilidades tecnológicas existentes mas também o desenvolvimento de novas tecnologias.

Palavras-chave: Energia nuclear; Reatores de híbridos fusão-fissão.

1. Introdução

Este artigo apresenta uma revisão de resultados já divulgados sobre pesquisa em fusão nuclear e a

possibilidade de emprego economicamente viável de reatores híbridos de fusão-fissão. Também

apresentamos uma análise de prazos históricos necessários para que novos conhecimentos científicos

resultem em tecnologias empregadas pela sociedade. Com isso, defendemos que o planejamento

energético brasileiro inclua um novo paradigma: além de considerar as possíveis tecnologias existentes,

participar de esforços para desenvolver novas tecnologias de geração de eletricidade e, na útlima etapa,

usufruir, economicamente, dos benefícios que essas novas tecnologias possibilitam e, destarte, trazer

recursos para o país.

* Autor de correspondência: alex.ramos@usp.br ; Cel. +55 11 963 063 749.

O anúncio de experimento de fusão nuclear com ganho de energia revigorou as expectativas da

comunidade científica sobre a possibilidade de utilizar a fusão nuclear para a geração de eletricidade

[1]. Os experimentos foram realizados na National Ignition Facility, do Lawrence Livermore Nat Lab

nos EEUU. O experimento consistiu de um intrincado arranjo de 192 feixes de laser que entregou ~ 1.9

MJ de energia à uma cavidade cilíndrica de ouro, chamada hohlraum, que converteu a energia do laser

num banho de raios-X. Parte da energia desses raios-X é absorvida pela casca de uma esfera

milimétrica contendo o combustível de fusão. A casca esférica é um ablador que fica sob a pressão de ~

100 Mbar e inicia a compressão do combustível lotado em seu interior. Esse movimento centrípeto

cessa quando a região central atinge altas densidades e forma um ponto ignitor em que as reações de

fusão são iniciadas, com a consequente a liberação de nêutrons e partículas-α. Se a densidade areal do

ponto ignitor for superior a 0,3 g/cm-2, e a temperatura for superior a 4 keV (após supressão da

constante de Boltzmann), no ponto ignitor é iniciado o processo de fusão nuclear, pela liberação da

energia cinética das partículas-α à sua vizinhança. Ademais, na condição em que a densidade areal do

combustível for superior a 1 g/cm-2 então haverá propagação da queima ao restante do combustível de

fusão e esse processo deve liberar mais energia que a introduzida para induzí-lo.

Esses resultados criam expectativas positivas quanto ao desenvolvimento das tecnologias necessárias à

geração de eletricidade via fusão nuclear. As possibilidades são reais, mesmo que os desafios

tecnológicos ainda sejam muitos e demandem tempo para serem superados. A despeito de a

comercialização de energia elétrica produzida a partir de fusão ainda esteja distante, uma solução de

caráter intermediário pode estar disponível num horizonte mais curto, de 2 ou 3 décadas. Tratam-se dos

Fig. 1: Esquema da sequência em que ocorre a fusão por confinamento inercial indireto.

reatores híbridos de fusão–fissão [2][3][4], em que os nêutrons altamente energéticos produzidos em

reações de fusão podem ser utilizados para três fins: 1) queima de materiais transurânicos resultantes da

fissão nuclear [5][6]; 2) converter tório-232 ou urânio-238 em urânio-233 ou plutônio-239 – que são

físseis e portanto utilizáveis em reatores de fissão [7][8][9]; 3) produzir energia pela fissão dos

materiais físseis presentes no reator híbrido [10][11]. Essas aplicações são facilitadas pela geometria do

reator, que em seu centro têm o combustível de fusão e é circundado por uma manta em que se

depositam os materiais fissionáveis ou físseis. Destarte, os reatores híbridos podem,

concomitantemente, contribuir para garantir segurança à geração de eletricidade por fissão nuclear e

estabelecer o estágio intermediário necessário a geração de eletricidade por fusão nuclear.

Do ponto-de-vista brasileiro, os reatores híbridos constituem uma oportunidade a ser considerada

quando consideramos a disponibilidade em solo brasileiro de urânio e de tório [12]. Tratam-se de

reservas mineirais abundantes, que podem beneficiar a nação, tal qual o país beneficiou-se de seu

relevo naturalmente favorável à geração de hidroeletricidade. Ademais, a sazonalidade, que no caso da

matriz hidrelétrica é compensada por grandes represamentos, exerce ínfima influência na produção de

energia pela matriz nuclear. Isto garante o aproveitamento da potência instalada em sua quase

totalidade no decorrer de um ano e, portanto, provê uma matriz firme de geração de eletricidade. Isso é

importante se considerarmos que no plano energético nacional o potencial hidrelétrico do país terá sido

explorado completamente dentro de ~ 30 anos [12].

Por fim, muitas das tecnologias necessárias à produção de energia por reatores híbridos ainda estão por

ser desenvolvidas. Este aspecto é altamente positivo, pois o país poderá ser, ao invés de consumidor de

tecnologias já prontas, um produtor de manufaturados de alto valor agregado. Essas tecnologias

também contribuirão para melhor compreensão dos processos de fusão e consequente desenvolvimento

de reatores de fusão nuclear. Três décadas é um prazo suficiente para que o país torne real essa

possibilidade, desenvolva algumas das tecnologias associadas à vanguarda da femto-tecnologia e

beneficie-se do potencial de arrasto da economia dos isótopos [13], criando toda a cadeia econômica

naturalmente demandada por esse setor.

O artigo está organizado como segue: na seção de métodos apresentamos a física que é necessária para

compreender as altas densidades energéticas de fenômenos nucleares e funcionamento dos reatores

híbridos. Em seguida, apresentamos os prazos históricos necessários à implementação de grandes

usinas e ao desenvolvimento de algumas tecnologias já disponíveis. Em seguida mostramos a

viabilidade de construção de reatores híbridos de fusão-fissão em prazos de três décadas e a

necessidade de o Brasil realizar esforços para garantir contribuições concretas a esses esforços, visando

assim um impacto positivo na economia do país.

2. Métodos

A Física da energia armazenada

MODELO PADRÃO. Alguns dos aspectos centrais associados à escolha de uma matriz geradora de

eletricidade é a disponibilidade dos insumos a ela associados, seu impacto ambiental e a abundância

energética que é armazenada nessa matriz. Iniciamos nossa discussão considerando o método para o

estudo da abundância energética baseado no Modelo Padrão da Física. As questões associadas à

insumos e impacto ambiental serão tratadas adiante.

Um modo de avaliar a abundância energética associada à uma determinada matriz é estudar as

intensidades relativas das quatro interações fundamentais, conforme classificadas na Física. São quatro

as interações fundamentais da matéria, conforme a classificação proposta no Modelo Padrão para a

matéria. Nominalmente, temos o acoplamento gravitacional ( 10−39 ), o fraco ( 10−5 ), o

eletromagnético ( 10−2 ) e o forte ( 1 ) em que os números entre parênteses designam suas

intensidades relativas.

As interações forte e fraca atuam a distâncias curtas, da ordem do tamanho do núcleo atômico, e

exemplos de fenômenos governados por essas interações são a estabilidade do núcleo atômico (forte) e

a radioatividade (fraca). A força gravitacional atua a grandes distâncias e apesar da pouca intensidade

em comparação com a força forte, é a interação que garante que o planeta Terra tenha atmosfera e que

objetos caiam sobre a superfície terrestre. A interação eletromagnética, apesar de também atuar a

grandes distâncias, têm efeitos que são sentidos especialmente na estabilização de moléculas ou da

camada eletrônica dos átomos. Mesmo nesse caso, a intensidade da interação é apenas residual, devido

à co-existência de partículas positivas e negativas.

Do ponto-de-vista da geração de eletricidade, cada uma dessas interações pode ser associada a um tipo

de matriz. O acoplamento gravitacional é associado às usinas hidroelétricas enquanto as gerações

termoelétricas a carvão e gás, e mesmo a solar, podem ser associadas à resíduos da interação

eletromagnética. A geração de eletricidade por fissão nuclear é resultante da interação nuclear forte.

Uma comparação entre essas matrizes arroladas acima nos permite considerar seu potencial de geração.

No caso da matriz hidrelétrica, 1 kg de água em queda livre de 100 m atinge a turbina geradora com

energia máxima de 500 J. Em Itaipu, a vazão máxima da água por turbina é de 690 kg/s e a queda é de

118,4 m, que resulta numa potência máxima de 8 MW por turbina [14]. Quanto ao carvão, a energia

gerada por 1 kg de antracita é de ~ 8 kWh enquanto que 1 kg de urânio-235 pode produzir ~

24.000.000 kWh de energia [15].

Reações nucleares

FUSÃO. Uma reação de fusão nuclear ocorre

quando dois (ou mais) núcleos atômicos se

combinam, transformando-se num núcleo

atômico mais pesado, após uma colisão. Para que

ocorra essa junção os átomos devem estar à altas

velocidades para superar a repulsão

Coulombiana entre suas cargas nucleares

positivas. Para que ocorra a colisão, as distâncias

entre as cargas positivas são da ordem dos

tamanhos dos núcleos, 10−15 m, o que torna

muito pequena a probabilidade da reação de

fusão. Para contornar tal repulsão, é necessário

que as partículas tenham altíssimas energias

cinéticas. Diversos métodos de aceleração podem levar os núcleos atômicos a atingir as energias

cinéticas necessárias à fusão, sendo o mais promissor a geração de plasmas a altas energias e

temperaturas. O plasma é um gás ionizado com números iguais de cargas positivas e negativas. A

injeção de energia suficiente no plasma aumenta sua temperatura e os núcleos atingem velocidades

Fig. 2: Um esquema para a reação de fusão entre o deutério e trítio. Os nêutrons são representados em azul e, em vermelho, os prótons. Ao centro da figura há um núcleo instável de hélio 5. O produto dessa reação resulta em um nêutron e um núcleo de Hélio (partícula-α).

suficientes para que a fusão torne-se provável. Essas energias cinéticas são da ordem dos 10 keV, o que

corresponde a temperaturas da ordem de 77.000.000 K. Uma segunda dificuldade decorre desse

aquecimento, que é a necessidade de confinar o plasma que, a alta temperatura, tende a expandir-se. É

essa a dificuldade que os recentes resultados obtidos no Lawrence Livermore trazem esperança de

solucionar, pois conseguiu-se realizar fusão, com ganho energético em relação à entrada de energia no

combustível, preservando-se o confinamento.

No experimento do Lawrence Livermore, utilizou-se como combustível uma mistura de Deutério (

D ) e o Trítio ( T ). A reação entre o deutério e o trítio é considerada aquela que possui maior

potencial para uma exploração da fusão nuclear para a geração de eletricidade. O Deutério ( D ) e o

Trítio ( T ) são dois isótopos do hidrogênio e a reação entre eles têm como produtos, a partícula-α

(ou núcleo de Hélio) e um nêutron ( n ) a altíssima energia, cujo esquema é apresentado na Fig. 1.

Essa reação libera uma energia de aproximadamente 17 MeV, sendo ~ 3 MeV carreados pela partícula-

α enqunato que o nêutron porta os ~ 14 MeV restantes. Essa energia cinética em um nêutron

corresponde a uma velocidade ~ 1/6 da velocidade da luz.

FISSÃO. A fissão nuclear pode tanto ser uma reação nuclear quanto um decaimento radioativo em que

um núcleo atômico sofre uma cissão em partes menores constituída de núcleos atômicos mais leves,

nêutrons e luz (raios gama). Em geral uma reação de fissão gera energia pela cinética dos produtos da

reação e em forma de radiação eletromagnética. Quanto aos núcleos atômicos resultantes de uma

fissão, suas características variam de acordo com uma lei de probabilidades e, portanto, não é possível

prever os produtos nucleares de uma única fissão mas apenas composições relativas após grandes

quantidades de reações de fissão. As reações de fissão são utilizadas comercialmente na produção de

eletricidade, sendo que o combustível nuclear utilizado são os isótopos de urânio – 235, que após reagir

com um nêutron, resultam no isótopo urânio – 236, que é instável e, ao sofrer a cisão, libera da ordem

de 200 MeV em energia. Um esquema dessa reação é apresentada na Fig. 3.

Embora na Fig. 3 tenhamos apresentado

como produtos da reação de fissão o bário

e o criptônio, que são seus produtos mais

comuns, outros elementos químicos

podem resultar da fissão nuclear, com

números de massa variando entre 75 e 160,

sendo os elementos mais prováveis

aqueles de número de massa próximos a

92 e 144. Uma segunda característica

desses elementos sub-produtos da fissão é

que eles apresentam excesso de nêutrons

em comparação com os isótopos que

ocorrem naturalmente. Esses isótpos são,

portanto, instáveis e sofrem decaimentos

radiativos até tornarem-se átomos estáveis.

Como exemplo podemos considerar o

decaimento do criptônio:

3690 Kr→37

90 Rb→3890 Sr→39

90Y →4090 Zr sendo

que a meia vida do criptônio é de 33 s, do rubídio 2,91 min, do estrôncio 27,7 anos, do ítrio 64 h, sendo

o zircônio um isótopo estável.

A fissão do isótopo de urânio-235 após reagir com um nêutron que pode ser lento é única na natureza.

Há centenas de outros isótopos que para reagir com um nêutron e sofrerem fissão necessitam que esse

nêutron tenha alta energia. Materiais com essa propriedade são chamados fissionáveis, enquanto que os

primeiros, que sofrem fissão após reagir com nêutrons lentos, são os físseis. Todavia, é possível

produzir materiais que sejam físseis e que não ocorrem na natureza. Esse é o caso dos isótopos de

urânio-233 e do plutônio-239, produzidos a partir de reações nucleares entre nêutrons rápidos e os

isótopos de tório-232 e do urânio-238, respectivamente. São os materiais fissionáveis, tório-232 e o

urânio-238 que podem ser utilizados nos reatores híbridos visando produção de energia ou de

combustível de fissão.

Fig. 3: Um esquema de uma reação de fissão nuclear entre um isótopo de urânio – 235 e um nêutron. O nêutron colide com o átomo de urânio e isso resulta no isótopo de urânio – 236, que é instável. Esse átomo então decai, liberando ~ 200 MeV de energia, dois núcleos atômicos e dois ou três nêutrons. Acima apresentamos o caso em que o decaimento resulta em um núcleo de bário e um de criptônio.

Reações cíclicas e em cadeia

FUSÃO. Uma das dificuldades em se

realizar fusão nuclear via reações entre D e T

é a disponibilidade do combustível.

Enquanto há uma vasta quantidade de

Deutério no mar, o Trítio é instável e ocorre

em baixíssimas quantidades na natureza.

Todavia, é possível produzir trítio a partir de

lítio, via uma reação de fusão nuclear entre o

Lítio – 6 e um nêutron livre, que resulta num

núcleo de Lítio – 7, que é instável e decai em

um núcleo de trítio e uma partícula-α. Essa

reação pode ser utilizada para construir uma

cadeia cíclica de reações, composta de (1) a

fusão entre D e T e (2) a fusão entre n e o

núcleo de Lítio – 6, em que o nêutron

produto da reação (1) é utilizado como

reagente na reação (2). Da reação (2) são

produzidos elementos T que voltam a ser

utilizados na reação (1). Em geral, os

projetos de reatores de fusão, mesmo pura, já

preveem que as paredes do reator tenham

uma mistura que composta de Li-6. Essa

composição permitiria justamente a produção de energia e aproveitamento dos nêutrons de fusão para a

produção de trítio. Essa pode ser uma vantagem importante de uso dos nêutrons de fusão, uma vez que

estes estão à altas energias, 14 MeV, e se colidirem diretamente com as paredes dos reatores podem

causar danos nos mesmos, reduzindo sua vida útil.

FISSÃO. Reações de fissão de átomos pesados têm como resultados a liberação de dois núcleos de

átomos mais leves e alguns nêutrons. Isto sugere a possibilidade de geração de reações em cadeia, de

maneira que os nêutrons resultantes de uma reação de fissão ocasionam uma segunda sequência de

Fig. 4. Aqui apresentamos um esquema de reação em cadeia para a fusão nuclear. São duas as reações nucleares que ocorrem, a do topo (1) entre o deutério e o trítio e, a da base (2), entre um nêutron e o lítio -- 6. O produto da reação (1) é um núcleo de hélio e um nêutron e o produto da reação (2) é um trítio e um núcleo de hélio. O nêutron produzido na reação (1) é utilizado como insumo da reação (2) e o trítio produzido na reação (2) é um reagente para a reação (1).

reações de fissão e assim

sucessivamente. Para que tal

encadeamento de reações de fissão

ocorra é necessário que os nêutrons

liberados a cada reação colidam

com um novo átomo fissionável.

Sendo assim, podemos considerar

um compartimento que contenha

uma certa quantidade de átomos de

urânio fissionáveis, isto é, um

reator. Se a quantidade de átomos

fissionáveis e sua distribuição

geométrica for apropriada, há a

possibilidade de ocorrência de

reações de fissão em cadeia e não

são necessários novos nêutrons

para sustentar esse encadeamento

de reações. Quando reações de

fissão em cadeia ocorrem em reatores que permitem um regime auto-sustentado, os reatores são

chamados críticos pois nêutrons externos não são necessários. Caso contrário, se não há auto-

sustentação, as reações são chamadas sub-críticas.

Escalas temporais de implementação de novas tecnologias

Um tópico distante dos anteriores, mas ainda relacionado, refere-se aos tempos históricos necessários à

implementação de novas usinas, exploração tecnológica de novos conhecimentos científicos e

desenvolvimentos científicos necessários à novas tecnologias. Essa sub-seção apresenta uma breve

análise desses prazos históricos.

CONSTRUÇÃO DE USINAS. A despeito da urgência para que se estabeleçam soluções para a questão

energética brasileira, as escalas de tempo associadas à capacidade de geração de eletricidade têm

tempos característicos que demandam até mesmo décadas de antecipação. Por exemplo, entre o início

das negociações para a construção da Usina Hidrelétrica de Itaipu e o início de suas operações houve

Fig. 5: Um exemplo de reação em cadeia da fissão do urânio. Um primeiro nêutron colide com um átomo de urânio -- 235, que sofre cisão e libera dois núcleos atômicos e dois ou três nêutrons. Os nêutrons agora colidem com novos átomos de urânio -- 235, que liberam novos átomos e nêutrons e assim sucessivamente.

um intervalo de quase uma década [14]. Outro exemplo é a construção da Usina Nuclear de Angra 2,

que iniciou-se em 1981 e somente em 2001 entrou em operação [16]. A contrapartida desses prazos

longos é a energia elétrica gerada anualmente, que é da ordem de 100 milhões de MWh em Itaipu e de

10 milhões de MWh em Angra 2, ou seja, uma vasta quantidade de energia firme passa a integrar o

sistema elétrico nacional. É esse aprendizado histórico que estabelece ao plano energético nacional a

antecipação de condições que virão em duas ou mais décadas.

NOVAS TECNOLOGIAS. Se o horizonte temporal para a implementação de tecnologias de geração de

eletricidade já maduras é de uma década, um prazo ainda maior é necessário ao desenvolvimento de

uma nova tecnologia. Como exemplo, considerem-se o tempo entre a descoberta dos primeiros

fenômenos nucleares, em 1896 por Becquerel [17], até a entrada em operação do primeiro reator de

fissão nuclear gerador de eletricidade, em 1954, na Rússia [18]. O cinquentenário que foi demandado à

aplicação da fissão nuclear para a produção de eletricidade será um período curto quando comparado

com outra tecnologia, a fusão nuclear. Para evitar uma análise ingênua e apressada sobre esses prazos,

que podem parecer longos, devemos considerá-los em perspectiva, análisando os prazos de maturação

de outras tecnologias, como o uso de telefonia móvel (celular). As bases científicas para o uso de

telefonia móvel datam do final do século 19, 1864, quando J. C. Maxwell elaborou a teoria

eletromagnética e deduziu a equação que governa a propagação de ondas de luz [19]. Essa predição foi

verificada experimentalmente H. R. Hertz nos anos 1884 – 1886 [19]. Note-se, portanto, que foi

necessário mais de um século para a construção da base tecnológica que permite a exploração dos

benefícios tecnológicos possibilitados por esse conhecimento científico, como por exemplo a utilização

de aparelhos celulares e tecnologias 4G destinados à transmissão massiva de dados. A despeito de tal

prazo, a sociedade soube aguardar pelo aparecimento da telefonia móvel e isso decorre, dentre outras

razões, do fato que tecnologias possíveis a cada tempo surgiram, como é o caso do rádio amador.

QUESTÃO GEOPOLÍTICA. Uma variável central para a escolha das matrizes energéticas que devem

integrar a cesta energética nacional é de caráter geopolítico [20]. O Sistema Interligado Nacional (SIN)

é do tamanho do sistema europeu, o que mostra uma capacidade sofisticada de gerenciamento da

distribuição de eletricidade. O mesmo pode-se mencionar quanto à capacidade de construção de

barragens e tecnologias de concreto associadas. Por outro lado, esse refinamento tecnológico não se

extende ao domínio de tecnologias de geração, como no caso das turbinas das hidrelétricas cujos

projetos e tecnologias não detemos. Não se trata de falta de capacidade de geração do conhecimento

necessário. Os argumentos em geral contrários ao desenvolvimento desse tipo de tecnologia são na

direção de que, comercialmente, não vale a pena investir em tecnologias já amplamente dominadas por

algumas nações. Trata-se da cultura de que tecnologia se compra. Se economicamente essa é alternativa

atraente, é na geopolítica que a nação paga o preço, ao limitar a capacidade de sua indústria ao

desenvolvimento de tecnologias menos sofisticadas. Outro custo, que ainda não foi devidamente

mapeado é pago pela ciência e pela qualidade do ensino nacional. Como não há demanda por inovação

de tecnologias, não há demanda por criação de conhecimento científico necessário à essas tecnologias,

e menos ainda por profissionais com formação altamente sofisticada e qualificada.

Há setores em que o Brasil está atrasado em relação a outras nações quanto ao uso e, principalmente,

quanto ao domínio de tecnologias de alto desempenho, e sua posterior exploração econômica. A

redução desse atraso pode se dar com a existência de projetos avançados, que atendam necessidades

nacionais e que demandem tecnologias sofisticadas, cujo desenvolvimento envolva a participação da

comunidade científica nacional.

NOVAS TECNOLOGIAS NO BRASIL. A capacidade brasileira para o desenvolvimento de

tecnologias de alto desempenho já foi demonstrada como atesta, por exemplo, o domínio do processo

de enriquecimento de urânio, que levou ~ 20 anos para ser concluído e, atualmente, está em fase de

transferência para exploração comercial [21]. O desenvolvimento dessa tecnologia é paradigmático

para o país e possui imenso potencial de transformação, econômico e geopolítico. Por esse motivo, o

Brasil se torna uma das raras nações do planeta que detém domínio da cadeia completa do ciclo do

combustível nuclear, composta pela quinta maior reserva de urânio do planeta, e uma grande parcela do

território por prospectar. Ademais, a inevitável ampliação do mercado internacional de combustíveis

nucleares torna possível à INB adentrar um mercado restrito, trazendo riquezas ao país. Mais que isso,

a nação pode aproveitar a oportunidade para o desenvolvimento de novas tecnologias nucleares

beneficiando-se assim do grande arraste que possui esse setor.

3. Resultados

A seção de resultados pode ser dividida em duas partes, a primeira relacionada ao funcionamento dos

reatores de fusão-fissão e a segunda como demonstração da necessidade de o país de participar de

projetos de desenvolvimento de novas tecnologias de geração de eletricidade.

Reatores de fusão – fissão

O conceito dos reatores híbridos de fusão-fissão foi estabelecido já nos anos 50 por A. Sakharov [2],

foi defendido fortemente por H. Bethe ao final dos anos 70 [3] e recentemente voltou à ser discutido

pela comunidade de fusão nuclear [8][5][9][22][4][23][6]. O conceito-base de um reator híbrido de

fusão-fissão consiste em envolver um reator de fusão (desde que exista esse dispositivo) por uma manta

composta de material físsil ou fissionável. Há três possibilidades distintas de aplicação desses reatores:

1. envolver o reator de fusão por uma manta contendo combustível de fissão usado para a queima

de materiais transurânicos [22][6].

2. projetar a manta envoltória do reator de fusão composta de urânio ou tório [3], ou sal fundido

composto de uma mistura de urânio, tório e lítio [7], visando a produção de combustível de

fissão ou fissão e fusão, respectivamente.

3. contruir a manta envoltória visando a produção de energia, construindo-a com combustível de

fissão, [8][11][10].

As alternativas 1. e 2. tem como principal característica a viabilização da fissão nuclear como uma

fonte de energia duradoura. A alternativa 3., se implementada, estabelece uma nova matriz geradora de

eletricidade, e pode servir como estágio intermediário para o uso da fusão nuclear.

Uma das principais críticas ao uso da energia nuclear atualmente é referente à destinação a ser dada ao

combustível usado. Como vimos, o combusivel usado de fissão gera elementos radiativos cujas meias-

vidas podem ser de até alguns séculos. A destinação a ser dada a esses elementos pode variar entre a

construção de repositórios geológicos, o reprocessamento químico e eventual queima em reatores que

gerem nêutrons rápidos. A alternativa da queima por reatores híbridos de fusão-fissão possibilita

transformar o combustível de fissão usado em material cuja meia-vida passa a ser de décadas, pela

queima dos transurânicos. Novas tecnologias de confinamento sugerem que essa alternativa será

economicamente viável dentro de duas ou três décadas [5].

Outra possibilidade de aplicação dos reatores

híbridos de fusão-fissão é para a produção de

combustível de fissão a ser usado em reatores

nucleares como os LWR. Pode-se construir

uma manta composta de material fissionável

como o tório-232 ou o urânio-238, ambos

isótopos abundantes na natureza. Nesse caso,

os nêutrons rápidos de fusão podem ser

utilizados na produção de material físsil, no

caso os isótopos de urânio-233 e o plutônio-

239. Dentre essas duas possibilidades, a

utilização de tório é a mais provável, pois

evita riscos de proliferação e, por

consequência, dificuldades diplomáticas que

possam surgir durante o desenvolvimento da

tecnologia. Essa tecnologia de produção de

combustíveis de fissão é possivelmente a mais

eficiente e um único reator híbrido poderia

sustentar a produção de combustíveis para até

5 reatores de fissão. A possibilidade de uso de reatores híbridos, adendada dos reatores híbridos de

queima de combustível usado, sugerem o desenvolvimento de instalações produtoras de eletricidade

que sejam compostas de reatores de híbridos produtores de combustíveis físseis e de queima de

combustível usado, bem como reatores de fissão geradores de energia, numa única área [8].

Uma dificuldade que se pode ter na construção do reator de fusão-fissão é a produção do trítio. Para se

contornar tal dificuldade é necessário que a manta envoltória do reator de fusão contenha, além dos

isótopos de tório-232, também contenha o lítio-6, que possa reagir com os nêutrons e gerar o trítio [7].

A terceira alternativa de uso para um reator híbrido de fusão-fissão é considerar o proprio reator como

uma fonte produtora de energia [2][3][4][10][11]. O raciocínio subjacente à essa proposta deve-se ao

fato de reações de fusão serem abundantes em liberação de nêutrons enquanto que as reações de fissão

são abundantes em liberação de energia. Por exemplo, uma reação de fusão entre deutério e trítio libera

Fig. 6: um esquema de um reator híbrido de fusão-fissão, destinado à produção de eletricidade. Aqui, considera-se que a fusão é realizada por confinamento inercial induzido a laser de alta potência (elemento 1). O combustível de fusão, composto por deutério e trítio é localizado no centro do reator (elemento 2). Uma primeira camada contendo combustível para fissão induzida por neutrons rápidos é envolve a esfera em fusão (elemento 3) e uma segunda camada envoltória, contendo combustível de fissão por nêutrons lentos, é construída (elemento 4). A captação da energia térmica e sua transformação em eletricidade é representada pelo elemento 5.

da ordem de 20 MeV e, após multiplicação, 2 ou 3 nêutrons, enquanto que uma fissão de urânio – 235

libera 2 ou 3 nêutrons e 200

MeV. Portanto, para produzir

a mesma quantidade de

energia, a fusão libera 10

vezes mais nêutrons que a

reação de fissão nuclear.

Dessa forma, enquanto

reações de fusão podem gerar

vasta quantidade de nêutrons,

as reações de fissão podem

gerar energia em abundância.

Na Fig. 6 e na Fig. 7,

apresentamos um esquema de

projeto de reator híbrido de

fusão-fissão por confinamento

inercial induzido a laser [10].

Essa proposta consiste em

construir um reator de fusão-

fissão composto de duas

paredes contendo material de

fissão. Considera-se que esse acoplamento torna o aproveitamento energético mais eficiente e com

maior potencial de geração. As duas paredes contém combustível de fissão prontos para operar em

regime sub-crítico. Essa característica possui uma consequência fundamental, pois apenas há geração

de energia quando há nêutrons de fusão presentes no reator e quando cessa a fusão, o sistema da fissão

deixa de operar. Isto garante uma segurança intrínseca ao reator, eliminando riscos de super-

aquecimento por falha nos sistemas refrigerantes, dado que basta desligar o laser de confinamento do

combustível de fusão para garantir que o reator pare de operar.

O projeto do reator híbrido acoplado a duas mantas de fissão, a de nêutrons rápidos, mais interna, e a de

nêutrons térmicos, externa, foi desenvolvido pelo Institute of Physics and Power Engineering, da

Rússia. Esse é o mesmo instituto que desenvolveu o primeiro reator de fissão destinado à produção de

Fig. 7: um esquema tri-dimensional do reator híbrido de fusão-fissão, com fusão por confinamento inercial induzida a laser de alta potência, composto de duas mantas de fissão, a primeira para nêutrons rápidos e a segunda para nêutrons térmicos.

eletricidade, em 1954 [18]. Nesse projeto, a manta térmica possui também o lítio-6, que interage com

os nêutrons lentos e produz trítio. O aproveitamento do calor gerado pela fissão na manta rápida é feito

utilizando como fluido refrigerante uma base de metal líquido. Já a manta térmica têm seu calor

removido via água pesada. O calor removido é aproveitado para girar uma turbina e gerar eletricidade.

Desenvolvimento de tecnologias necessárias aos reatores de fusão – fissão

Baseando-nos no exemplo do enriquecimento de urânio é que propomos que o Brasil tenha um

ambicioso plano de ampliação de seu parque nuclear, que esteja à altura e do tamanho de uma nação de

mais de 200 milhões de habitantes, aproximadamente 8,5 milhões de km² de território, imensas

quantidades de jazidas mineirais e solos férteis. Essa ampliação, no entanto, não necessita limitar-se à

aquisição de tecnologias já maduras mas pode também extender-se à participação de esforços para o

desenvolvimento de novas tecnologias de geração de eletricidade, como é o caso dos reatores híbridos

de fusão-fissão nucleares. Nesse documento, limitamo-nos aos reatores de híbridos a laser. É que os

recentes resultados obtidos no LLNL sugerem que esta tecnologia está mais madura na busca da

ignição da fusão nuclear, em comparação com o confinamento magnético.

REATORES HÍBRIDOS: UMA POSSIBILIDADE. A trilha necessária ao desenvolvimento das

tecnologias de geração de eletricidade por reatores híbridos envolve a superação de imensos desafios

em diversas áreas do conhecimento, como por exemplo, a ciência dos materiais, a física dos plasmas,

os laseres de alta potência e a computação de alto desempenho. Esses desafios são, antes de tudo

oportunidades, se consideramos que sua superação requer o desenvolvimento de novas tecnologias e de

conhecimento. O país também possui uma vantagem nas quatro áreas elencadas acima, dado haver uma

comunidade científica ativa e em condições plenas de atuar em grandes projetos.

Ademais, o horizonte temporal é favorável ao Brasil, uma vez que é previsto que durante os próximos

30 anos teremos finalizado a exploração de nosso potencial de geração de energia hidroelétrica. Nesse

período, estaremos realizando a transição para uma matriz hidrotérmica e o país necessitará

desenvolver alternativas viáveis para o período posterior [24]. Dentre essas alternativas, a matriz

nuclear pode desempenhar papel central, por conta de: baixo impacto ambiental; disponibilidade do

combustível em território brasileiro e domínio da tecnologia do ciclo do combustível; alta densidade

energética. Ademais, há oportunidades para o país relacionadas ao desenvolvimento de tecnologias

ainda não comerciais e dentre essas tecnologias podemos participar do desenvolvimento de maquinaria

útil ao desenvolvimento de reatores de fusão nuclear. Uma alternativa também viável consiste em

participar de esforços visando reatores híbridos de fusão-fissão.

4. Conclusão

Os reatores híbridos de fusão–fissão foram propostos já nos anos 50 por Sakharov [2] e a idéia retornou

ao debate público nos anos 70 com Bethe [3], como uma alternativa energética de transição entre os

reatores de fissão e os reatores de fusão. A opção pela construção de um reator híbrido de fusão-fissão

têm um aspecto logístico a seu favor, uma vez que esse desenho é viável economicamente mesmo a

baixos valores da razão entre a energia liberada pela energia introduzida no reator de fusão (fator Q

) [8][25]. Os reatores híbridos são construídos com um centro em que fica localizado o combustível de

fusão nuclear e um envoltório, a manta, em que se localizam os materiais que podem ser físseis,

fissionáveis ou até mesmo o combustível de fissão usado. É possível que esses reatores sejam centrais à

garantia de fornecimento energético em meados do século 20 [8] e dado que a tecnologia não está

pronta, gera a oportunidade de participação de seus desenvolvimentos ao país. A comunidade científica

brasileira já atuante em áreas que podem ser fundamentais à construção desses equipamentos,

credencia-se, portanto, a participar de grandes projetos que visem contribuir concretamente no

desenvolvimento de tecnologias periféricas. O benefício dessa forma de participação é a oportunidade

de cobrir, mesmo que parcialmente, o déficit científico e tecnológico necessário para a compreensão do

funcionamento desses equipamentos e, eventualmente, num horizonte temporal mais longo, almejar o

desenvolvimento completo de projetos dessa natureza e nível de ambição.

Agradecimentos: AFR teve seu trabalho em Energia Nuclear suportado pela Eletrobrás—

Eletronuclear. MV foi suportado no escopo do Programa PET do MEC. AFR, MV, AB, AC, PT

agradecem à CAPES.

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