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A Promessa de Fusão

A mesma energia que faz o Sol brilhar pode ser a força sem-fim com que sonha o homem. Para domesticá-la, os cientistas inventaram máquinas milionárias. Mas os resultados vão demorar.

Martha San Juan França

Nos laboratórios do Instituto de Física Max Planck, em Garching, perto de Munique, no sul da Alemanha, sessenta cientistas americanos, japoneses, soviéticos e de outros países europeus trabalham há um ano num raro projeto sem fronteiras destinado a retirar energia limpa e barata do átomo – uma fantasia que o homem abriga desde que começou a manipulá-lo há meio século. Trata-se do desenho do International Thermonuclear Experimental Reactor (lTER), ou Reator Experimental Termonuclear Internacional, uma supermáquina cujo valor deve alcançar alguns bilhões de dólares. Não é para menos: o equipamento deve ser capaz de controlar as reações nucleares de fusão – as mesmas que mantêm acesas as estrelas – o tempo suficiente para que a energia resultante possa mover uma turbina ou fazer andar um automóvel melhor que a eletricidade ou os combustíveis fósseis de hoje.
Os cientistas do ITER devem ter tomado um susto do tamanho do seu projeto ao saber, há poucos meses, que nos Estados Unidos uma dupla de químicos chegou ao santo graal da fusão, segundo anunciaram, com uma experiência tipo fundo de quintal, ao alcance de qualquer estudante do ramo. Logo se viu, porém, que, não era bem isso – ou nada disso, na pior das hipóteses. A fulgurante ascensão e, queda da fusão a frio, como ficou conhecida a alegada proeza, mostra que o trabalho em curso na Alemanha, embora portentoso, é apenas um passo no complexo, caro, demorado e incerto plano de dominar a energia virtualmente ilimitada que ocorre na fusão.

Nova energia só será viável após 2050

Quando o projeto do ITER ficar pronto, em 1991, os países que dele participam poderão enfim começar a construir um reator de potência equi¬valente ao dobro da usina nuclear de Angra 1, ou 1200 megawatts. Natu¬ralmente, o reator será apenas um protótipo para a continuação das pesquisas. Pois, até que se desenvol¬vam aparelhos comerciais de fusão, uma infinidade de problemas técni¬cos terá de ser resolvida. Até onde é possível prever essas coisas, a idéia não é utópica. No entanto, mesmo os cálculos mais otimistas jogam só para depois do ano 2050 a substitui¬ção dos atuais combustíveis pela energia de fusão, também chamada termonuclear.
O que no fim da Segunda Guerra Mundial parecia relativamente fácil de ser obtido aos cientistas excitados com o recém-conquistado domínio do átomo, com o passar do tempo demonstrou ser um desafio quase in¬transponível. O homem havia apren¬dido a produzir energia a partir da quebra ou fissão dos átomos, um processo que deu origem às bombas atômicas e às usinas nucleares para o fornecimento de eletricidade.

Na primeira vez, a bomba foi a espoleta

Nos reatores de fissão, os átomos de urânio são despedaçados, liberan¬do grandes quantidades de energia ¬e a temível radioatividade. A fusão de hidrogênio, ou de suas variantes deutério e trítio, produz calor e pou¬quíssima radioatividade, mas exige gi¬gantescas injeções de energia para alimentar um processo contínuo. Por isso, todas as tentativas de realizá-la em laboratório gastaram bem mais energia do que a obtida com a expe¬riência. Ou seja, não teria sentido usar o processo na vida real.
A fusão acontece quando dois nú¬cleos de átomos leves se juntam para formar um terceiro mais pesado, mas cuja massa é me¬nor do que a soma dos elementos ori¬ginais. A diferença corresponde à energia liberada. No Sol, por exem¬plo, se fundem ini¬magináveis 564 mi¬lhões de toneladas de hidrogênio por segundo, dando origem a 560 mi¬lhões de toneladas de hélio, numa temperatura de 20 milhões de graus e sob uma pressão 100 bilhões de ve¬zes maior do que a pressão atmosféri¬ca. Nessa colossal fornalha, os 4 mi¬lhões de toneladas de hidrogênio que não viraram hélio viraram energia – ¬graças à qual o ho¬mem existe e tenta reproduzir ó pro¬cesso. “Estamos na posição de Pro¬meteu”, compara o físico alemão Max Schluter, do Instituto Max Planck, referindo-¬se ao herói da mi¬tologia grega que roubou o fogo dos deuses para dá-lo aos homens. “Co¬mo Prometeu, queremos imitar o fo¬go do Sol aqui na Terra.”

Para fazer isso, os cientistas pensa¬ram construir uma espécie de forno com as mesmas características das es¬trelas. Normalmente, os núcleos dos átomos se repelem porque têm carga elétrica do mesmo sinal. Para que a fusão possa ocorrer, é preciso aproxi¬mar os núcleos a distâncias tão ínfi¬mas, a tal ponto que as forças de atração superem as de repulsão. Des¬cobriu-se que os candidatos naturais para esse casamento são os isótopos (ou variedades) de hidrogênio, como o deutério (com um próton e um nêutron no núcleo). Usando a força bruta, ou seja, aquecendo as partícu¬las de matéria a milhões de graus e em altas densidades, os pesquisadores fazem com que tais isótopos se trans¬formem numa mistura de elétrons li¬vres e núcleos de átomos. É o plasma, nem líquido, nem sólido, nem gás: o quarto estado da matéria.
Nesse estado meio fantasmagórico, as partículas colidem umas com as outras em velocidades altíssimas até que, em razão dos choques, acabam por unir-se, produzindo núcleos mais pesados, algumas partículas soltas ¬e, o mais importante, grandes quanti¬dades de energia. Assim, pode resul¬tar da colisão hélio 3 (formado por dois prótons e um nêutron) mais um nêutron excedente; ou trítio (um pró¬ton e dois nêutrons), mais um próton excedente. E raro, mas também pode acontecer que a fusão produza hélio 4 (dois prótons e dois nêutrons) e mais energia.
Em 1945, o físico húngaro naturali¬zado americano Edward Teller suge¬nu que se usasse a bomba atômica recém-inventada como espoleta para desencadear a fusão nuclear, pois a força de sua explosão forneceria as temperaturas e pressões necessárias. A idéia seria posta em prática alguns anos depois. No dia 1.º de novembro de 1952, de fato, os americanos deto¬naram a primeira bomba de hidrogê¬nio, a bomba H, numa ilha do ocea¬no Pacífico. Provou-se assim que a fusão na Terra era possível, mas, pa¬ra que ela tivesse outra finalidade que não acabar com a vida na Terra, teria de ser controlada.

“É o mesmo que prender um pudim com elásticos”

No entanto, para a construção de qualquer reator que produzisse energia pela fusão de hidrogênio, as condições pareciam proibitivas: seria preciso investir inicialmente uma quantidade de energia seis vezes superior à temperatura do interior do Sol, para compensar a diferença de pressão. Em cada centímetro cúbico desse reator deveriam existir no mínimo 100 trilhões de partículas que, devido ao calor. estariam sob forte pressão. A energia contida nesse gás teria de se manter durante pelo menos um segundo. A única facilidade seria o combustível. Afinal, em cada metro cúbico de água do mar há 33 gramas de deutério, o primo pesado do hidrogênio. Mas qualquer material que entrasse em contato com o plasma, à temperatura de centenas de milhões de graus, acabaria derretido. Por isso se pensou usar como recipiente uma estranha gaiola magnética que impedisse o gás de se aproximar da parede metálica do reator. Na prática, isso equivaleria a “prender um pudim trêmulo com elástico”, como disse certa vez o físico Edward Teller. E, de fato, no começo, as gaiolas magnéticas vazavam gás por todos os lados.
No final da década de 50 começou uma corrida pela melhor técnica de aprisionamento do plasma. As primeiras máquinas para esse fim, inventadas nos Estados Unidos, eram tubos em formato de rosquinha chamados jocosamente perhapstron (equipamento do talvez) e, pelos mais céticos, impossibletron (equipa¬mento do impossível).

E não haverá o problema do lixo atômico

Em seguida surgiu o stellarator, um tipo de reator em que o plasma é mantido num for¬no com a aparência de um anel, ro¬deado de bobinas magnéticas feitas de grossos fios condutores. Na União Soviética, os físicos Andrei Sakharov, Prêmio Nobel da Paz de 1975, e Igor Tamm (1895-1971), Prêmio Nobel de Física de 1958, aperfeiçoaram a idéia e ajudaram a criar o hoje célebre to¬kamak, cujo nome é formado pelas primeiras sílabas das palavras russas correspondentes à câmara toroidal de bobinas magnéticas. Para o físico Ivan da Cunha Nascimento, da Uni¬versidade de São Paulo, considerado um dos raros especialistas brasileiros em fusão, “os tokamaks são a maior esperança de se conseguir ganho de energia com a fusão”.

A colisão atômica

Numa reação de fusão, as partículas batem umas nas outras ate que acabem por unir-se, produzindo núcleos mais pesados. Isso pode acontecer de três maneiras.

A alternativa fria demolida

Desde março último a fins de maio, cientistas do mundo inteiro discutiram se houve mesmo fusão nuclear com geração de calor nas experiências realizadas em Utah, nos Estados Unidos, de um lado pelos químicos StanleyPons e Mar¬tin Fleischmann e de outro pelo fí¬sico Steven Jones. Logo em segui¬da à ruidosa proclamação da proe¬za, uma febre de ensaios semelhan¬tes propagou-se pelos institutos de pesquisa de muitos países, entre eles o Brasil. “Todo cientista com um pouco de sangue nas veias quis fazer também a experiência”, con¬cede o professor Iuda Goldman. do Instituto de Física da USP. Toda essa pilha de ensaios serviu para congelar o entusiasmo inicialmente provocado pela alegada fusão a frio.
Enquanto a maioria dos testes deu em nada, em alguns parece ter ocorrido geração de nêutrons, um indício de fusão, mas a quantidade de energia obtida foi tão pequena que nem sequer pôde ser medida. Diante das incertezas, centenas de cientistas de diversas áreas reuni¬ram-se nos Estados Unidos no fi¬nal de maio para uma avaliação global do assunto. Com raríssimas exceções, os pesquisadores demoli¬ram a expectativa de que a fusão a frio pudesse ter alguma utilidade como fonte de energia. O veredic¬to dos especialistas foi de que as experiências de Pons e Fleischmann constituíam apenas um fenômeno esotérico.
A idéia da dupla foi muito sim¬ples. Em vez de aproximar os nú¬cleos de deutério aumentando a temperatura e obrigando-os a coli¬dir uns com os outros, fizeram pas¬sar uma corrente elétrica por dois condutores de platina e paládio mergulhados em água pesada (D20). Dessa forma, o deutério, de carga positiva, é atraído pelo paládio, de carga negativa. Apri¬sionados na estrutura cristalina do paládio, os núcleos do deutério se aproximam como se estivessem comprimidos. O resultado seria o mesmo que se consegue a altas temperaturas: a fusão de núcleos de deutério com a produção de energia. Como em nenhuma parte os cientistas conseguiram obter por esse meio a quantidade de calor mencionada por Pons e Fleis¬chmann – e estes vinham se recu¬sando a fornecer detalhes de sua experiência -, prevaleceu a con¬vicção de que tudo não passou de uma falsa esperança.

Em Princeton, vinte vezes a temperatura do Sol

Trata-se de um aparelho formado por tubo metálico fechado na forma de uma câmara de pneu – ou torói¬de, em linguagem científica. A sua volta existe um enrolamento. Percor¬rido por uma corrente elétrica, nele surge um poderoso campo magnético que envolve o plasma como as cascas de uma cebola. Existe também outro campo magnético vertical para colo¬car o plasma mais corretamente. Nos aparelhos experimentais, como o que existe na Universidade de São Paulo (quadro), conseguiu-se temperaturas de até 5 milhões de graus. O recorde mundial de temperatura obtido até agora são os 200 milhões de graus do tokamak da Universidade de Princeton, nos Estados Unidos. Nesse aparelho de 2,5 metros de raio ( oito vezes maior que o da USP), apesar dos bons resultados ainda n]ao se conseguiu produzir energia igual à consumida na experiência. O maior e mais bem sucedido reator de pesquisas, porém, é o JET (Joint European Torus), de Culham, Inglaterra, como o nome diz, uma operação conjunta dos países da Comunidade Econômi¬ca Européia.
O JET produz temperaturas supe¬riores a 100 milhões de graus e também alcança a densidade necessária. Apesar de seus quase 3 metros de raio, o toróide ainda é pequeno demais para se conseguir simultaneamen¬te as duas coisas. “Por is¬so pensamos num suces¬sor do modelo JET”, ex¬plica seu diretor, o físico francês Paul-Henri Rebut.Os europeus pretendem construir outro reator – o Next European Torus (NET), se o projeto do ITER, na Alemanha, não for adiante. Mas antes¬ têm de resolver alguns in¬convenientes. Por exem¬plo, pode acontecer que o trítio, que é radioativo, escape sob a forma de gás. Além disso, a parede de aço do reator, subme¬tida ao constante bombar¬deio de partículas, tem de ser substituída depois de alguns anos.
Diante desses proble¬mas, não é de admirar que, de tem¬pos em tempos, os pesquisadores so¬nhem com algum atalho na busca da fusão. O caso mais espalhafatoso foi o dos pesquisadores Stanley Pons e Martin Fleischmann, da Universidade de Utah, nos Estados Unidos. Em março último, eles anunciaram ter conseguido a fusão a frio, isto é, à temperatura ambiente, usando pouco mais que uma bateria parecida com a dos automóveis. Antes deles, hou¬ve outras alegações semelhantes que no fim caíram no ridículo.

Fora do tokamak, só houve fusão com feixes de laser

Em 1951, por exemplo, o presi¬dente da Argentina, Juan Domingos Perón, proclamou orgulhosamente que o físico alemão Ronald Richter havia produzido em Buenos Aires a energia de fusão com materiais bara¬tos. Era tudo fraude, porém. Richter foi preso e nunca mais se ouviu falar de suas experiências. Sete anos de¬pois, o inglês Sir John Cockcroft anunciou um novo milagre: sua má¬quina chamada Zeta produzira uma reação que, de boa-fé, ele acreditou ser fusão nuclear. Constatado o equí¬voco, Cockcroft, retratou-se.
As experiências com fusão nuclear mais promissoras, alem das que usam o confinamento magnético, são as que se baseiam no laser, cujo raio luminoso concentra num pequeno ponto, grandes quantidades de ener¬gia. E algo extremamente sofistica¬do. As experiências, realizadas no Laboratório Nacional Lawrence Li¬vermore, da Califórnia, fazem parte das pesquisas ligadas ao criticado projeto Guerra nas Estrelas e são, por isso, secretas. Outros testes são feitos no Japão. Sabe-se que átomos de deutério e trítio solidificados são aprisionados em incríveis esferas ocas de metal de milésimos de milímetro de diâmetro, confinadas numa câma¬ra de vácuo. Em seguida, os átomos são submetidos a um fogo cruzado de 20 feixes de 100 trilhões de watts de laser durante 1 bilionésimo de se¬gundo. Atingidas por todos os lados pelo bombardeio, as bolinhas se aquecem tanto que se comprimem até fundirem. Só que, como no caso dos tokamaks, não se conseguiu ob¬ter mais energia do que a aplicada no processo.
Outra tentativa original consiste em reduzir a temperatura em que a fusão ocorre, usando partículas atô¬micas chamadas múons, que se for¬mam naturalmente pela ação dos raios cósmicos ou nos aceleradores de partículas dos laboratórios. Quan¬do se bombardeia uma mistura de deutério e trítio com múons, eles tendem a substituir os elétrons em volta dos átomos. Mas, como são 207 vezes mais pesados, giram tão próxi¬mos do núcleo que fazem o átomo original literalmente encolher. Isso leva os núcleos a se aproximar tanto que podem se fundir. Então, os múons ficam novamente livres e o ci¬cio recomeça.
Esses bizarros personagens ganha¬ram alguma notoriedade fora dos ar¬canos científicos quando se sugeriu que a suposta fusão a frio de Utah talvez se tivesse originado devido à presença de múons na atmosfera. Pe¬lo menos é esta a hipótese do físico americano Stephen Jones, também de Utah, que igualmente realizou expe¬riências na área. O problema é que, como a vida dos múons é muito bre¬ve, os pesquisadores ‘tentam descobrir quantas reações os múons podem rea¬lizar antes de decaírem. Só então se poderá saber se o processo é econô¬mico em termos do que entra e do que sai de energia. Os aceleradores de partículas nos Estados Unidos. União Soviética, Japão e Suíça conse¬guiram por enquanto um número in¬suficiente de reações para se obter saldo de energia positivo.

Em 1 metro cúbico de água, 2 mil barris de petróleo

Por modestas que sejam as espe¬ranças de chegar à fusão e por mais caras que sejam as pesquisas, a pro¬messa de energia ilimitada é ilimita¬damente sedutora. Segundo todos os cálculos, as futuras usinas de fusão nuclear poderão extrair de 1 metro cúbico de água uma quantidade de energia ,igual à de 2 mil barris de pe¬tróleo. E tudo isso praticamente sem radioatividade; portanto, sem o lixo atômico das usinas nucleares. Além disso, sem produzir dióxido de carbo¬no, como os combustíveis fósseis que envenenam o clima da Terra. Soa a ficção científica, sem dúvida. Mas, com tantas maravilhas no distante ho¬rizonte, os pesquisadores de fusão não rejeitam, em princípio, nenhuma possibilidade. O século XXI verá o resultado.

Para saber mais:

A evolução da Física, Albert Einstein. Zahar. Rio de Janeiro. 1980
O futuro energético do mundo, Allen Mammondo William Metz e Thomas Maugh II. Zahar Editores. Rio de Janeiro. 1975

Progressos brasileiros

Confinar a matéria nas condi¬ções necessárias à fusão nuclear exige experiências com equipa¬mentos grandes e caros, daqueles que só existem em países ricos. Mas várias instituições brasileiras de pesquisa realizam estudos sobre o confinamento do plasma, ou gás ionizado, essencial ao desenvolvi¬mento da fusão. No Instituto de Física da USP, por exemplo, fun¬ciona desde 1980 o único aparelho tokamak da América Latina. Foi inteiramente planejado e construí¬do no país e tem P9ucos compo¬nentes importados. E uma máqui¬na de pequeno porte, com raio de 30 centímetros, capaz de alcançar temperaturas de cerca de 2 mi¬lhões de graus.
Já no Laboratório de Plasma da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) começou a funcionar este ano um toróide compacto que consegue tempera¬turas de 5 milhões de graus, em¬bora por um tempo menor do que com os tokamaks convencio¬nais. Também a Universidade Fe¬deral Fluminense, em Niterói, possui uma máquina linear impor¬tada da Alemanha; o Instituto de Pesquisas Espaciais (Inpe), enfim, construiu um aparelho de confi¬namento magnético do tipo toroi¬dal, ainda em implantação, com 12 centímetros de raio e que che¬ga a 1 milhão de graus.