O que é Fusão Nuclear? Como isso funciona?

Atualmente, as usinas de energia nuclear produzem energia explorando o processo de fissão. A fissão nuclear envolve tomar um átomo pesado, como o isótopo de urânio U-235, e dividi-lo em dois átomos mais leves. Esse processo libera uma enorme quantidade de energia utilizável. 

A fissão é iniciada pelo bombardeamento do U-235 com neutrões. À medida que esses nêutrons colidem com os átomos U-235, eles forçam a liberação de nêutrons adicionais que, em seguida, colidem com outros átomos U-235, criando uma reação em cadeia. Essa reação também pode produzir radiação eletromagnética. Para maximizar a produção de energia, o número de nêutrons usados na fissão deve ser controlado para evitar que a reação em cadeia morra ou fuja. 

Os reatores de fissão exploram a energia produzida da mesma maneira que as usinas de energia convencionais. 
A fissão ocorre em um reservatório do reator, moderada por hastes de controle. O calor da reação é usado para aquecer a água e produzir vapor. Esse vapor então gira uma turbina para produzir eletricidade. São necessárias etapas adicionais para descartar com segurança o combustível gasto, pois ele é radioativo e pode ter uma meia-vida de mais de 10.000 anos. Em muitos casos, os custos de descomissionamento são de até 15% do custo de capital inicial.

Para criar combustível para fissão nuclear, o enriquecimento é necessário primeiro para aumentar a concentração de urânio-235 da abundância de 0,7% encontrada naturalmente no minério de urânio para os 4-5% necessários para o processo de fissão. Isso é feito usando 1.000 a 2.000 estágios centrífugos. Para isso, o minério de urânio é convertido em gás UF6, processado e depois convertido em grânulos de combustível após o processo de enriquecimento. O processo centrífugo é cuidadosamente controlado sob parâmetros de vácuo específicos.

Em fevereiro de 2026, 416 reatores com capacidade líquida de ~400 GWe estavam operacionais, operando em 31 países. Esses reatores produzem aproximadamente 9% da eletricidade do mundo. Além disso, 70 reatores de energia nuclear estão em construção. O minério de urânio é obtido em 10 países e tem uma densidade energética de 70.000 vezes a de combustíveis fósseis. O custo de construção de uma usina de energia nuclear pode ser entre US$ 2 e US$ 20 bilhões, embora o desenvolvimento de unidades menores e de menor custo seja viável.

Muitas abordagens diferentes que foram propostas para alcançar a fusão. No entanto, há dois tipos principais de confinamento explorados.

A fusão de confinamento magnético (MCF) é provavelmente a rota mais encorajadora para a geração de energia comercial. Ele usa uma série de ímãs supercondutores muito potentes, com hélio líquido usado para resfriar os ímãs e otimizar o desempenho do dispositivo.

Os dispositivos de confinamento magnético mais comuns são o Tokamak e o Stellarator, embora algumas instalações tenham experimentado dispositivos que usam espelhos magnéticos. Todos os três tipos de dispositivos consistem em um reservatório de vácuo central, onde o plasma é contido e ocorre a reação de fusão. O reservatório de vácuo é rodeado por um criostato, onde os ímãs supercondutores são alojados e resfriados. O Tokamak tem um formato toroidal, o Stellarator se assemelha a uma fita torcida, enquanto a máquina espelhadora tem um formato cilíndrico. O campo magnético força continuamente os átomos juntos e as altas temperaturas permitem a "ignição de plasma".  

O segundo tipo comum de confinamento é a fusão de confinamento inercial (ICF). Essa técnica extrai energia de fusão bombardeando pequenos grânulos (1 a 3 mm) de combustível DT com lasers ou feixes de partículas carregados para comprimir e aquecer a mistura até a ignição. Aqui, ignição refere-se à condição de que todas as partículas alfa estejam paradas, o que faz com que o plasma aqueça.

A compressão e o aquecimento são feitos muito rapidamente com pulsos curtos (1 a 10 ns) de lasers de alta potência, raios X ou feixes de íons que cruzam o combustível de muitas direções. Os dispositivos de acionamento direto fornecem pulsos de energia de compressão diretamente ao pellet de combustível. As técnicas ICF de acionamento indireto têm o pellet de combustível colocado dentro de um pequeno recipiente metálico (cavidade/câmara de combustão). Os lasers são então focados no espaço oco, aquecendo-o em um plasma que irradia raios X que, por sua vez, são absorvidos pelo grânulo. Em seguida, o pellet é comprimido da mesma maneira que o "acionamento direto". Em comparação com dispositivos de acionamento direto, a abordagem de acionamento indireto é significativamente menos eficiente. A técnica de acionamento indireto é usada em simulações de armas nucleares. 

Para criar eletricidade a partir do ICF, os pellets de combustível são colocados em uma câmara de reação a vácuo onde são inflamados. A radiação do plasma e dos nêutrons de fusão é absorvida pelo lítio líquido. O calor produzido é usado na geração de vapor convencional e o trítio é produzido para ser reciclado como novo combustível.

A fusão tem o potencial de produzir quantidades enormes de energia a partir de apenas uma quantidade muito pequena de combustível — apenas cerca de 250 kg por ano em um reator comercial — assim que a ignição sustentada for alcançada. 

As principais vantagens da fusão são a abundância de combustível em comparação com fontes de hidrocarbonetos, a ausência de subprodutos nocivos, como gases de efeito estufa, e sua segurança intrínseca em comparação com a fissão nuclear. 

Em comparação com a fissão, a fusão nuclear tem vantagens adicionais: 

• Enquanto a reação de fusão libera neutrões que são perigosos para os humanos, esses neutrões são contidos e a produção de neutrões cessa quase assim que a planta é desligada.  
  
• A fusão é inerentemente mais segura, pois não há reações em cadeia, fuga ou derretimento.
  
• A fusão resulta em temperaturas extremas, mas se algum plasma escapara, o calor se dissiparia rapidamente sem causar danos.
  
• Os nêutrons podem representar um perigo, mas são facilmente interrompidos.
  
• Embora a fusão nuclear produza resíduos radioativos, essa radioatividade é de curta duração — especialmente quando comparada com resíduos produzidos por fissão. Isso inclui a embarcação de bombardeio de nêutrons.  
  
• Os resíduos produzidos pela fusão não precisam ser transportados para descarte, armazenamento ou reprocessamento.

O requisito de vácuo em reatores de fusão depende do tipo de confinamento e do tamanho do reator.

A maior necessidade de vácuo em confinamento magnético é na câmara de vácuo central e na câmara do criostato circundante. Isso pode ser superior a 100 m³, que deve estar abaixo de UHV (cerca de 10 ^-9 mbar) para evitar contaminação do plasma. 

O vácuo também é necessário para a produção de trítio, bombeamento de hélio e recirculação de combustível. No caso de fusão de confinamento inercial, todas as linhas de feixe de laser ou partículas devem ser evacuadas juntamente com a câmara de reação.

Como no confinamento magnético, isso pode ser um volume muito grande que requer UHV para evitar perdas e aberrações nos feixes. As bombas turbomoleculares e criogênicas são as mais comumente usadas e devem ser capazes de lidar com o pico localizado em radiação e campos magnéticos altos. Preocupações semelhantes se aplicam a conjuntos de bombas primárias, medidores e válvulas.

Um dos principais requisitos das bombas de vácuo é a capacidade de lidar com trítio. Isso significa que vedações metálicas são preferíveis e as bombas devem ser livres de flúor/halogêneo e hidrocarbonetos. 

No caso de confinamento magnético, as bombas também devem ser capazes de operar em campos magnéticos altos e, muitas vezes, é necessária blindagem.  O espaço ao redor das câmaras de reação é muito limitado e os desligamentos são extremamente caros, portanto, as bombas devem ter uma pegada pequena e ser altamente confiáveis com requisitos mínimos de serviço.