O que é a fusão nuclear? Como é que funciona?

Atualmente, as centrais nucleares produzem energia através da exploração do 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. Este processo liberta uma enorme quantidade de energia utilizável. 

A fissão é iniciada pelo bombardeamento do U-235 com neutrões. À medida que estes neutrões colidem com os átomos U-235, forçam a libertação de neutrões adicionais, que colidem com outros átomos U-235, criando uma reação em cadeia. Esta reação também pode produzir radiação eletromagnética. Para maximizar a produção de energia, o número de neutrões utilizados na fissão deve ser controlado para evitar que a reação em cadeia morra ou desapareça. 

Os reatores de fissão exploram a energia produzida da mesma forma que as centrais elétricas convencionais. 
A fissão ocorre num reservatório do reator, moderada por hastes de controlo. O calor da reação é utilizado para aquecer a água e produzir vapor. Este vapor depois faz rodar uma turbina para produzir eletricidade. São necessários passos adicionais para eliminar com segurança o combustível gasto, uma vez que é radioativo e pode ter uma meia-vida superior a 10.000 anos. Em muitos casos, os custos de descomissionamento são de até 15% do custo de capital inicial.

Para criar combustível para a 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. Isto é feito utilizando 1000-2000 estágios de centrifugação. 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 uma capacidade líquida de ~400 GWe estavam operacionais, operando em 31 países. Estes reatores produzem cerca de 9% da eletricidade mundial. Além disso, estão a ser construídos 70 reatores nucleares. O minério de urânio é obtido em 10 países e tem uma densidade energética de 70.000 vezes a dos combustíveis fósseis. O custo de construção de uma central nuclear pode situar-se entre $2 e $20 mil milhões, embora o desenvolvimento de unidades mais pequenas e de menor custo seja viável.

Foram propostas muitas abordagens diferentes para alcançar a fusão. No entanto, existem dois tipos principais de confinamento a explorar.

A fusão por confinamento magnético (MCF) é provavelmente a via mais encorajadora para a geração de energia comercial. Utiliza uma série de ímanes supercondutores muito potentes, com hélio líquido utilizado para arrefecer os ímanes 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 utilizam espelhos magnéticos. Todos estes três tipos de dispositivos consistem num recipiente de vácuo central, onde o plasma é contido e ocorre a reação de fusão. O reservatório de vácuo está rodeado por um criostato, onde os ímanes supercondutores são alojados e arrefecidos. O Tokamak tem uma forma toroidal, o Stellarator assemelha-se a uma fita torcida, enquanto a máquina de espelho tem uma forma cilíndrica. O campo magnético força continuamente os átomos a unirem-se e as altas temperaturas permitem a "ignição do plasma".  

O segundo tipo comum de confinamento é a fusão por confinamento inercial (ICF). Esta 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 à ignição. Aqui, a ignição refere-se à condição de que todas as partículas alfa estão paradas, o que faz com que o plasma aqueça.

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

Para criar eletricidade a partir do ICF, os pellets de combustível são colocados numa câmara de reação a vácuo onde são inflamados. A radiação do plasma e dos neutrões de fusão é absorvida pelo lítio líquido. O calor produzido é utilizado 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 num reator comercial - assim que for alcançada a ignição sustentada. 

As principais vantagens da fusão são a abundância de combustível em comparação com as fontes de hidrocarbonetos, a ausência de subprodutos nocivos, tais como gases com efeito de estufa, e a 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 liberta neutrões que são perigosos para os humanos, estes neutrões são contidos e a produção de neutrões cessa quase assim que a instalação é desligada.  
  
• A fusão é inerentemente mais segura, uma vez que não existem reações em cadeia, fuga ou derretimento.
  
• A fusão resulta em temperaturas extremas, mas se algum plasma escapar, o calor dissipa-se rapidamente sem causar danos.
  
• Os neutrões podem representar um perigo, mas são facilmente interrompidos.
  
• Embora a fusão nuclear produza resíduos radioativos, esta radioatividade é de curta duração - especialmente quando comparada com resíduos produzidos por fissão. Isto inclui o navio de bombardeamento de neutrões.  
  
• Os resíduos produzidos pela fusão não precisam de ser transportados para eliminação, armazenamento ou reprocessamento.

Os requisitos de vácuo nos reatores de fusão dependem do tipo de confinamento e do tamanho do reator.

A maior necessidade de vácuo no confinamento magnético é na câmara de vácuo central e na câmara criostática circundante. Isto pode ser superior a 100 m³, o que deve estar sob UHV (cerca de 10 ^-9 mbar) para evitar a contaminação do plasma. 

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

Tal como com o confinamento magnético, este pode ser um volume muito grande que requer UHV para evitar perdas e aberrações nos feixes. As bombas turbomoleculares e criogénicas são as mais utilizadas e têm de ser capazes de lidar com o pico localizado de radiação e campos magnéticos elevados. Preocupações semelhantes aplicam-se a conjuntos de bombas primárias, manómetros e válvulas.

Um dos principais requisitos para as bombas de vácuo é a capacidade de manusear trítio. Isto significa que são preferíveis vedações metálicas e as bombas devem ser isentas de fluoreto/halógeno e hidrocarbonetos. 

No caso de confinamento magnético, as bombas também devem ser capazes de funcionar sob campos magnéticos elevados e é frequentemente necessária uma blindagem.  O espaço à volta das câmaras de reação é muito limitado e os encerramentos são extremamente dispendiosos, pelo que as bombas têm de ter uma pegada pequena e ser altamente fiáveis com requisitos de assistência mínimos.