A ameaça nuclear global aumentou nos últimos meses após alegações que a Coréia do Norte estava construindo armas nucleares e a ameaça do presidente Donald Trump contra o perigoso líder do país. A escalada das tensões fez com que o Relógio do Juízo Final se aproximasse da meia-noite.
No entanto, apesar de seu potencial para destruir o mundo e ameaçar nossa própria existência, a energia nuclear também tem o potencial de resolver as necessidades urgentes de energia do planeta.
Nos últimos anos, grupos de empresas privadas têm entrado na onda da pesquisa, devido aos avanços na tecnologia e ao nosso entendimento de coisas como supercondutores. O Google recentemente se juntou a especialistas em fusão nuclear para desenvolver um algoritmo para resolver problemas complexos de energia, e o MIT disse recentemente que a fusão nuclear poderia estar na rede em apenas 15 anos.
Mais recentemente, os cientistas acreditam que podem ter desvendado um dos mistérios da fusão nuclear olhando para estrelas em explosão. A equipe, doO grupo Center for Laser Experimental Astrophysical Research da Universidade de Michigan investigou como o calor desempenha um papel na forma como os materiais se misturam durante uma supernova - o ponto de luz criado quando uma estrela chega ao fim de sua vida e explode. Essas explosões enviam grandes quantidades de energia, em alguns casos mais do que nosso próprio sol emitirá ao longo de sua vida inteira.
O papel que o calor desempenha em tais reações de fusão no espaço tem sido amplamente esquecido e os cientistas têm tentado imitar tais reações na Terra para ajudar a impulsionar descobertas de energia nuclear. Ao misturar diferentes plasmas com vários elementos, incluindo ferro, carbono, hélio e hidrogênio em condições de laboratório, os pesquisadores foram capazes de estabelecer que os fluxos de energia fazem com que o calor suba e desça, o que tem um impacto significativo em como os elementos se misturam com o plasmas. Isso não foi considerado dessa forma, em experimentos anteriores, e poderia finalmente ser a chave para tornar a fusão nuclear mais sustentável na Terra. A pesquisa é publicada em Nature Communications.
O que é energia nuclear?
Embora a energia nuclear tenha o potencial de fornecer aos humanos energia quase ilimitada, a física por trás da energia nuclear envolve interações entre algumas das menores partículas imagináveis. No centro de cada átomo do universo está uma minúscula coleção de prótons e nêutrons chamada de núcleo. O número de prótons e nêutrons no núcleo determina qual elemento é o átomo, e o núcleo constitui a maior parte da massa desse átomo.
Dentro do núcleo, os prótons e nêutrons são unidos por uma das quatro forças fundamentais da física, chamadas de força forte. Como o nome sugere, a força forte é a mais forte de todas as quatro, mas só funciona em pequenas distâncias - como aquelas dentro de um núcleo. Os outros sãogravitacional, eletromagnético e fraco. Este vídeo descreve as diferenças e como elas nos afetam:
Os átomos são principalmente espaços vazios. Se um átomo fosse do tamanho de um estádio de futebol, o núcleo teria aproximadamente o tamanho de uma mosca em seu meio. A outra parte de um átomo são os elétrons da nuvem orbitando o núcleo do átomo, mas a força forte não se aplica aos elétrons. Em vez disso, eles são limitados por forças eletromagnéticas, pois têm uma carga negativa, enquanto o núcleo está positivamente carregado.
De um modo geral, a física nuclear envolve a formação ou quebra de um núcleo. Ambos são processos por meio dos quais uma pequena quantidade de massa é perdida, e isso libera grandes quantidades de energia.
Por que a energia nuclear é tão importante?
Desde a década de 1950, os físicos vêm tentando imitar o processo que alimenta o Sol, controlando a fusão dos átomos de hidrogênio em hélio. A chave para aproveitar esse poder é confinar bolas ultracquentes de gás hidrogênio chamadas plasmas até que a quantidade de energia que sai das reações de fusão seja igual a mais do que foi colocada. Este ponto é o que os especialistas em energia chamam de ponto de equilíbrio e, se puder ser alcançada, representaria um avanço tecnológico e poderia fornecer uma fonte ilimitada e abundante de energia zero carbono.
Você provavelmente estará ciente da equação mais famosa de Einstein, E = mc ^ 2. Isso afirma que a quantidade de energia liberada quando uma pequena quantidade de massa é perdida é igual a essa massa multiplicada pela velocidade da luz ao quadrado. A velocidade da luz é um número muito grande.
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O menor núcleo de qualquer elemento é formado por apenas um próton, encontrado nos átomos de hidrogênio. O hidrogênio, junto com o hélio, o lítio e o berílio são os elementos mais leves do universo, o que significa que não é necessária muita energia para sua formação. Esses elementos leves se formaram bem no início do universo, quando ele tinha cerca de três minutos e era frio o suficiente para que prótons e nêutrons se unissem. Esta é uma das razões pelas quais os plasmas de hidrogênio são vistos como a melhor fonte de extração de energia nuclear na Terra.
Após esses primeiros quatro elementos, o universo bateu em uma parede. Mais energia era necessária para os próximos 88 elementos da tabela periódica, a fim de superar os prótons que se repeliam com suas cargas positivas, e para isso a fusão nuclear tem que entrar em ação.
Então, o que é fusão nuclear?
Quase tudo ao nosso redor foi criado dentro de uma estrela. As estrelas começam com hidrogênio, que se comprimem para formar o hélio. Esse processo continua, liberando energia e aquecendo a estrela.
É essa reação, usando hidrogênio como combustível, que cientistas e equipes como os daTAE Technologiesestão tentando imitar para alcançar o poder de fusão nuclear. Quando os núcleos de deutério e trítio - que podem ser encontrados no hidrogênio - se fundem, eles formam um núcleo de hélio, um nêutron e muita energia.
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Como a fusão nuclear requer grandes quantidades de energia para iniciar as reações, o processo tem se mostrado difícil de copiar na Terra. É preciso pressão imensa e temperaturas de cerca de 150 milhões de graus para que os átomos se combinem em um reator de fusão.
Quando uma estrela do tamanho do núcleo do nosso Sol fica sem hidrogênio (sua fonte de combustível), ela começa a morrer. A estrela moribunda se expande em uma gigante vermelha e começa a produzir átomos de carbono pela fusão de átomos de hélio. Estrelas maiores podem criar elementos mais pesados, de oxigênio a ferro, em uma nova série de queima nuclear. Qualquer coisa mais pesada que o ferro é criada em uma supernova, a explosão gigante no final da vida de uma estrela massiva.
Como a fusão nuclear se relaciona com a fissão nuclear?
A energia nuclear, como a conhecemos na Terra, usa uma reação nuclear diferente, chamada fissão.
Quando os elementos começam a se expandir, como o urânio ou o plutônio, com mais prótons e nêutrons empacotados dentro do núcleo, é possível quebrá-los de volta em elementos menores atingindo-os com nêutrons. Isso também resulta em uma mudança na massa, liberando grandes quantidades de energia.
O problema reside nos chamados pós-produtos das reações. Essas substâncias são altamente radioativas, o que as torna incrivelmente perigosas e esta é a desvantagem mais significativa da energia nuclear.
Resíduos radioativos devem ser manuseados com muito cuidado e a melhor maneira que temos atualmente de nos livrar deles é enterrando-os no subsolo. Mas torna os reatores nucleares lugares perigosos, e desastres nos quais resíduos radioativos vazaram causaram consequências terríveis, como o desastre em Chernobyl em 1986 e Fukushima.
Quais empresas estão trabalhando na fusão nuclear?
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Trabalhando com a empresa privada Commonwealth Fusion Systems, os pesquisadores do MIT desenvolveram recentemente uma nova geração de experimentos de fusão e usinas de energia usando supercondutores de alta temperatura. Embora ainda não concretizada, a parceria visa a construção de um dispositivo compacto denominado SPARC.
Uma vez que os eletroímãs supercondutores para SPARC foram desenvolvidos, com previsão de estar nos próximos três anos, o SPARC vai usá-los para gerar 100 milhões de watts, ou 100 megawatts (MW), de energia de fusão. Embora não transforme esse calor em eletricidade, produzirá tanta energia quanto a que é usada por uma pequena cidade - mais do que o dobro da usada para aquecer o plasma, criando, em última instância, uma energia líquida positiva da fusão pela primeira vez. Se bem-sucedido, isso poderia ajudar a criar um protótipo em escala real de uma usina de fusão e colocar o mundo no caminho da fusão nuclear em apenas 15 anos.
Esta pesquisa segue o trabalho que está sendo feito pelo Google eTAE Technologies, que se autodenomina a maior empresa privada de fusão do mundo e sua gigante máquina de plasma ionizado C2-U. O Google construiu um algoritmo projetado para acelerar experimentos em física de plasma e o objetivo final da Tri Alpha Energy, assim como o CFS, é construir a primeira usina de energia comercial baseada em fusão. Quanto mais rápido ele concluir os experimentos, mais rápido e barato poderá atingir esse objetivo e levar o mundo em direção a uma fonte de energia limpa e mais sustentável.
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O aumento da pesquisa do setor privado em fusão nuclear reflete o grande prêmio em jogo - uma nova forma abundante, ambientalmente responsável e segura de gerar eletricidade, Professor Ian Chapman, CEO da Autoridade de Energia Atômica do Reino Unido disse .
Para realizar experimentos desse tipo, o plasma - bolas de gás ultra-quentes - precisa ser confinado por longos períodos de tempo.TAE Technologiesconfina esses plasmas usando um método chamado configuração de campo invertido que se prevê que se torne mais estável à medida que a energia aumenta, em contraste com outros métodos em que os plasmas ficam mais difíceis de controlar à medida que são aquecidos.
TAE Technologies 'O C-2U leva esses experimentos ao limite de quanta energia elétrica pode ser aplicada para gerar e confinar o plasma em um espaço tão pequeno em um período de tempo tão curto. Otimizar suas configurações (a máquina tem mais de 1.000 botões) e gerenciar o comportamento do plasma é um problema complexo e é aí que entra o algoritmo optometrista do Google.
Como Ted Baltz, engenheiro de software da equipe sênior do Google explica , a máquina C-2U executa uma injeção de plasma a cada oito minutos e cada execução envolve a criação de duas bolhas giratórias de plasma dentro do vácuo do C-2U. Essas bolhas são esmagadas juntas a mais de 600.000 milhas por hora para criar uma bola giratória de plasma maior e mais quente.
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A bola de plasma é então atingida continuamente com feixes de partículas feitas de átomos de hidrogênio neutros para mantê-la girando. Os campos magnéticos mantêm a bola giratória por até 10 milissegundos. Do Google algoritmo leva todos os parâmetros, desde o número de configurações até a qualidade do vácuo e a estabilidade dos elétrons, para apresentar soluções aos físicos humanos.
Como funcionam as bombas nucleares?
Os EUA foram o primeiro país a desenvolver armas nucleares, seguidos pela Rússia em 1949. Em 2016, estima-se que os EUA tenham cerca de 7.000 ogivas nucleares, incluindo armas retiradas, armazenadas e posicionadas. Diz-se que a Rússia tem cerca de 7.300 ogivas, a França cerca de 300 e o Reino Unido, 215. A Coreia do Norte, considerada uma das ameaças nucleares mais significativas dos tempos modernos, tem um número desconhecido de dispositivos, embora as estimativas apontem para cerca de 10 .
Todas as armas nucleares usam a fissão para gerar suas explosões devastadoras. As primeiras armas, incluindo o Little Boy lançadas em Hiroshima durante a Segunda Guerra Mundial, criaram a massa crítica necessária para iniciar uma reação em cadeia de fissão pordisparar um cilindro oco de urânio-235 em um alvo feito do mesmo material.
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Essa técnica avançou nos últimos anos e, nas armas modernas, a massa crítica depende da densidade do material. Essas armas detonam explosivos químicos em torno de uma chamada fossa de urânio-235 ou plutônio-239. Esses isótopos são os elementos mais comuns capazes de passar por fissão. O urânio e o plutônio são encontrados naturalmente em depósitos minerais, embora em pequenas quantidades (menos de 1% no caso do urânio e ainda menos no caso do plutônio), o que significa que precisam ser fabricados. Este é um processo caro e demorado e é a principal barreira para a construção mais livre de bombas nucleares.
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Nas explosões nucleares modernas, a explosão sopra para dentro, forçando os átomos no fosso a se unirem. Uma vez que a massa crítica é alcançada, os nêutrons são usados para criar uma reação em cadeia de fissão que, por sua vez, cria a explosão atômica. As armas de fusão termonuclear usam a energia da explosão da fissão para forçar os isótopos de hidrogênio a se unirem, criando uma bola de fogo que se aproxima de temperaturas tão altas quanto o sol.
