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Bateria nuclear As baterias atômicas - ou baterias nucleares - estão no horizonte há décadas, com promessas como uma bateria que não precisa ser recarregada e mesmo baterias nucleares de diamante que duram milhares de anos. Contudo, assim como a indústria nuclear, depois de vários acidentes catastróficos, vem passando por um longo vale, nunca houve muito apelo em usar baterias nucleares dentro de casa ou junto ao corpo, em aparelhos portáteis, por exemplo. Agora, uma empresa emergente dos EUA, a NDB, está chamando novamente a atenção da mídia ao buscar recursos no mercado para viabilizar suas baterias nucleares de nanodiamante. A empresa foi selecionada em um certame para auxiliar empresas emergentes a levantar fundos para o empreendimento, e agora está pedindo que as pessoas comprem suas ações ou façam doações. As letras miúdas, contudo, não escondem o fato de que os empreendedores reconhecem que "é uma tecnologia emergente, portanto, existem alguns desafios técnicos especializados que precisam ser resolvidos. Felizmente, a equipe técnica do NDB tem vários nanotecnologistas de diamante com a experiência certa para trazer a NDB à vida. Existem três marcos principais, [1] uma prova de conceito, onde mostramos que a NDB funciona, [2] o dimensionamento, que aumentará a produção do dispositivo em uma especificação comercialmente útil, o que nos permitirá [3] abrir uma fábrica para produção em massa, criando empregos e riqueza." Escudo de diamante O nome da empresa, NDB, é uma sigla para sua tecnologia, chamada NanoDiamond Battery, ou bateria de nanodiamantes. Os nanodiamantes são essenciais para restringir a radiação ao interior da bateria, mantendo-a segura. O princípio de funcionamento é conhecido como betavoltaico, utilizando um isótopo radioativo, neste caso o carbono-14. A proposta da empresa é usar o rejeito radioativo das usinas nucleares, mais precisamente, as barras de grafite que são usadas para controlar a fissão nuclear nos reatores, e que por isso se tornam altamente radioativos, virando lixo nuclear, que precisa ser armazenado virtualmente "para sempre". O grafite é carbono, cuja composição passa a ser rica no radioisótopo carbono-14 depois de seu uso no reator nuclear. O carbono-14 não é muito estável, sofrendo um decaimento beta - daí o nome betavoltaico -, liberando um elétron e um antineutrino e gerando nitrogênio. A ideia da empresa é purificar o grafite do lixo nuclear e usá-lo para, sob pressão, criar nanodiamantes de carbono-14. O diamante funciona como semicondutor, coletando os elétrons liberados no decaimento beta e transportando-o para o exterior da bateria, onde pode alimentar um circuito. Enquanto isso, nanodiamantes de carbono-12, criados no mesmo processo de pressão, funcionam como escudo contra a radiação. Os cálculos indicam que uma bateria nuclear com esta tecnologia poderá produzir 3,48 vezes mais energia do que uma pilha AA comum, mesmo sendo 53% menor. E, estima a empresa, a bateria atômica poderá lhe fornecer carga por 28.000 anos, sem precisar recarregar - desde que a bateria não vaze, claro, como tem acontecido com inúmeros supertambores desenvolvidos para guardar o lixo nuclear. Nesse caso, a falta de energia para seu aparelho será o menor dos seus problemas. fonte: inovacaotecnologica.com.br

O primeiro módulo do maior ímã do mundo (esquerda) e sua aparência quando estiver totalmente montado (direita). [Imagem: General Atomics] Maior ímã do mundo O maior ímã do mundo está pronto para seguir rumo ao seu destino, o ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Após uma década de projeto e fabricação, a empresa General Atomics divulgou que irá enviar o primeiro módulo do Solenoide Central, o ímã mais poderoso já construído, que se tornará um componente central do ITER, uma máquina projetada para replicar o poder de fusão nuclear que ocorre nas estrelas. Este experimento de fusão nuclear está sendo erguido na França por uma colaboração de 35 países parceiros: União Europeia (mais Reino Unido e Suíça), China, Índia, Japão, Coreia do Sul, Rússia e Estados Unidos. Seu objetivo é provar que a energia da fusão do hidrogênio pode ser criada e controlada na Terra. A energia da fusão nuclear não tem os mesmos riscos dos atuais reatores de fissão nuclear, não polui o meio ambiente e tem potencial para suprir a necessidade de energia da sociedade por milhões de anos. Existem propostas alternativas, como a fusão nuclear feita em um equipamento de mesa. [Imagem: Y. Zhang et al. - 10.1103/PhysRevLett.122.135001] Solenoide Central O Solenoide Central, o maior dos ímãs do ITER, será composto por seis módulos. Quando totalmente montado, ele terá 18 metros de altura, 4,25 metros de largura e pesará mil toneladas. A força magnética do Solenoide Central é suficiente para levantar um porta-aviões 2 metros no ar. Em seu núcleo, ele atingirá uma força de campo magnético de 13 Teslas, cerca de 280.000 vezes mais forte do que o campo magnético da Terra. As estruturas de suporte do eletroímã terão que suportar forças iguais ao dobro do empuxo de uma decolagem dos foguetes que levavam ao espaço os ônibus espaciais. Ele deverá induzir uma poderosa corrente de plasma no interior do reator, chamado tokamak, ajudando a moldar e controlar a reação de fusão, impedindo que ela derreta o próprio reator. O primeiro módulo está pronto e será embarcado de navio dos EUA para a França. Cinco módulos adicionais, mais um sobressalente, já estão em vários estágios de fabricação - o Módulo 2 deverá ficar pronto em agosto. Ímãs no tokamak A criação de campos magnéticos em um tokamak requer três arranjos complementares de ímãs. Bobinas externas ao redor do anel do tokamak produzem o campo magnético toroidal, confinando o plasma dentro do reator. Bobinas poloidais, um conjunto de anéis empilhados que orbitam o tokamak paralelamente à sua circunferência, controlam a posição e a forma do plasma. No centro do tokamak, o Solenoide Central usa um pulso de energia para gerar uma poderosa corrente toroidal no plasma que flui ao redor do toro. O movimento dos íons nessa corrente, por sua vez, cria um segundo campo magnético poloidal que melhora o confinamento do plasma, além de gerar calor para a fusão. Juntos, os ímãs do ITER criam uma gaiola invisível para o plasma que se adapta precisamente às paredes de metal do tokamak. Com 15 milhões de amperes, a corrente de plasma do ITER será muito mais poderosa do que qualquer coisa possível nos tokamaks atuais. O material supercondutor usado nos ímãs do ITER foi produzido em nove fábricas em seis países. Os 43 quilômetros de supercondutores de nióbio-estanho para o Solenoide Central foram fabricados no Japão. Este esquema mostra o Solenoide Central (coluna azul e amarelo) no centro do reator de fusão nuclear do ITER. A área rosa em torno dele é o plasma, girando dentro do toro. [Imagem: ITER] Como funcionará a fusão nuclear no ITER Para que o ITER funcione, uma pequena quantidade de gás deutério e trítio, que são isótopos do hidrogênio, é injetada no tokamak, uma grande câmara de vácuo em forma de anel. O hidrogênio é aquecido até se tornar um plasma ionizado, que parece uma nuvem. Os ímãs supercondutores integrados ao tokamak confinam e moldam esse plasma ionizado, mantendo-o afastado das paredes de metal do reator. Quando o plasma de hidrogênio atinge 150 milhões de graus Celsius - dez vezes mais quente do que o núcleo do Sol -, uma pequena quantidade de massa é convertida em uma grande quantidade de energia (E = mc2) conforme os átomos de hidrogênio se fundem. Nêutrons de ultra-alta energia, produzidos pela fusão, escapam do campo magnético e atingem as paredes de metal do tokamak, transmitindo sua energia para as paredes na forma de calor. A água que circula nas paredes do tokamak recebe esse calor e o converte em vapor. Em um reator comercial, esse vapor acionará turbinas para produzir eletricidade. Finalmente, alguns nêutrons reagem com o lítio incorporado nas paredes do tokamak, criando mais combustível de trítio para a fusão. Fonte: https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=ima-mais-poderoso-mundo-pronto-fusao-nuclear&id=010115210617

192 feixes de laser forneceram mais de 2 milhões de joules de energia ultravioleta a uma pequena pastilha de combustível para dar a ignição na fusão nuclear, que durou alguns nanossegundos. [Imagem: LLNL/NIF] Limiar da fusão nuclear Depois de vários "vazamentos" e grande impacto na mídia em geral, o Laboratório Nacional Lawrence Livermore, nos EUA, confirmou oficialmente ter alcançado a ignição da fusão nuclear - ainda que por pouco mais do que um bilionésimo de segundo. Foi o primeiro experimento de fusão controlada de um tipo conhecido como fusão por confinamento a produzir mais energia a partir da fusão nuclear do que a energia do laser usada para alimentá-la. Durante o experimento, cujo resultado levou meses para ser analisado para que a equipe tivesse segurança para anunciá-lo, o experimento ultrapassou o limite da fusão nuclear ao fornecer 2,05 megajoules (MJ) de energia ao combustível, que então gerou 3,15 MJ de saída. É um feito científico notável, perseguido há cerca de 50 anos, a um custo de bilhões de dólares, demonstrando que esta abordagem também funciona. A fusão nuclear é a energia que alimenta as estrelas, sendo mais limpa - ou menos suja - do que a fissão nuclear usada nos reatores nucleares atuais e não emitindo os gases de efeito estufa que estão influenciando o clima. Em 2021, a equipe já havia anunciado a ignição da fusão nuclear, mas ainda sem ganho líquido de energia. No NIF, a fusão nuclear é indireta, com a energia dos lasers sendo convertida em raios X dentro da cápsula, que então comprimem o combustível criando um plasma de alta temperatura. A fusão direta seria mais interessante com vistas à construção de um reator. [Imagem: LLNL/NIF] Como funciona a fusão nuclear? O feito foi alcançado no NIF (National Ignition Facility), um gigantesco laboratório experimental que está tentando chegar à fusão nuclear por um método conhecido como fusão por confinamento, ou fusão inercial, que é diferente da abordagem que usa campos magnéticos para confinar um plasma, em estruturas chamadas tokamaks e estelaratores. No NIF, um conjunto de 192 feixes de laser são focados simultaneamente em uma cápsula de dois milímetros contendo o combustível nuclear. O aquecimento quase instantâneo faz a cápsula implodir, comprimindo os átomos em seu interior, que então se fundem - esta é a fusão nuclear, que libera uma quantidade enorme de energia. O combustível dentro da cápsula é o deutério-trício, uma parte dele congelada criogenicamente e outra na forma de gás. Deutério e trício são isótopos do hidrogênio, que se fundem para formar hélio. Quando a cápsula é aquecida pelos lasers, ela literalmente implode, fazendo os átomos em seu interior se comprimirem e se fundirem. A obtenção da fusão nuclear sustentada exige que a energia gerada pelo combustível seja resultado do autoaquecimento devido às reações de fusão, em vez do aquecimento externo pelos pulsos de laser - dominante, mas não única, ou seja, os lasers continuam fornecendo um parcela da energia. Isso já havia sido alcançado em 2021 no NIF, mas agora o experimento também gerou mais energia do que recebeu, com cerca de 50% mais energia de saída do que de entrada. Este tokamak ajudou a corrigir uma teoria, dobrando a energia que poderá ser produzida por reatores de fusão nuclear. [Imagem: Alain Herzog (EPFL)] Outros experimentos de fusão nuclear É importante notar que os reatores de fusão por contenção magnética do plasma já obtiveram resultados tão ou mais significativos. O reator JET (Joint European Torus), no Reino Unido, começou a operar em 1983 e, no início deste ano, manteve uma reação de fusão nuclear por 5 segundos, produzindo um recorde de 59 megajoules de energia térmica e tornando-se o ponto mais quente do Sistema Solar, chegando a 150 milhões °C. Ele funciona hoje como uma espécie de laboratório do muito maior ITER, o reator de fusão nuclear internacional que está sendo construído na França. Mais recentemente, o reator coreano KSTAR (Korea Superconducting Tokamak Advanced Research), sustentou uma reação de fusão por 30 segundos, em temperaturas acima dos 100 milhões °C. Enquanto isso, experimentos alternativos, como a fusão magneto-inercial, o reator SPARC do MIT e o reator de fusão privado Trenta continuam fazendo seus próprios progressos. O laboratório NIF já foi usado como cenário de filmes de ficção científica. [Imagem: LLNL/NIF] Ponderações sobre a fusão nuclear É necessário, contudo colocar em perspectiva o balanço energético da fusão nuclear realizada agora, sobretudo depois da cobertura um tanto exagerada feita pela mídia em geral, que anunciou o feito passando a impressão ao público de que "agora" poderemos contar com "energia limpa e inesgotável". Nenhuma dessas afirmações está correta, nem tampouco as expectativas geradas por elas. Em primeiro lugar, a energia de entrada (2,05 MJ) refere-se tão-somente à energia passada pelos lasers para o combustível: Para que tudo funcione, sobretudo o funcionamento dos próprios lasers, o laboratório inteiro consome cerca de 300 MJ de energia. Além disso, tratou-se de um pico de geração de energia, com duração de poucos nanossegundos - a equipe ainda não publicou os resultados detalhados. Em uma comparação não muito rigorosa, para produzir eletricidade como a que recebemos em casa, na forma de corrente alternada de 60 Hz, seria necessário que esses picos durassem cerca de 10.000 vezes mais do que o pico único registrado no experimento, e que se repetissem 60 vezes por segundo. No entanto, após cada disparo, os lasers precisam esfriar horas antes de poderem ser acionados novamente, o combustível seja reposto e tudo preparado para gerar um novo pulso de energia - na prática, é mais comum haver vários dias de intervalo entre os disparos. Considere, contudo, que a instalação onde foi feito o experimento não é uma usina, mas um laboratório, não tendo sido projetada para produzir energia em escala industrial. Para isso será necessário construir um reator apropriado, o que deverá começar com um protótipo experimental. Mas tampouco será algo rápido, uma vez que há muitos desafios técnicos e de engenharia a serem vencidos. Enquanto isso, o NIF poderá continuar sendo usado para estudar fenômenos fundamentais da física e da astrofísica, uma vez que a conjunção dos lasers cria condições de temperatura e pressão só observadas nas estrelas e, em alguns casos, apenas nas explosões de estrelas, as supernovas. Há um ditado muitas vezes repetido na comunidade científica, de que a energia da fusão nuclear está a 30 anos no futuro... e sempre estará. Talvez seja um exagero, já que o experimento mostrou que estamos progredindo, mas, em termos de produção prática de energia para uso da população, ele certamente continua válido. Estão em desenvolvimento outros tipos de reatores, visando obter a fusão nuclear em equipamentos mais compactos. [Imagem: Kwei-Yu Chu] A fusão nuclear é limpa? A quase totalidade da cobertura jornalística feita nos últimos dias afirma que a "energia da fusão nuclear é limpa e segura". Embora ela de fato seja melhor do que uma termoelétrica a carvão ou petróleo, nenhuma das duas alegações é totalmente correta, sobretudo em relação às principais propostas de fusão nuclear sendo testadas até agora. Embora ainda estejamos no reino da ciência básica, uma ideia para passar do experimento científico para um reator de fusão envolve um projeto híbrido fissão-fusão, em que um reator de fissão produza a energia para alimentar a fusão. Um reator desse tipo produzirá plutônio-239, urânio-233 e urânio-235, todos eles empregados na construção de bombas atômicas e, mesmo se não tiverem essa finalidade, precisarão ser armazenados por milhares de anos. O reator de fusão nuclear também deverá produzir o próprio combustível, o trício, uma espécie de hidrogênio pesado, que é usado como "espoleta" para uma bomba nuclear, tornando essas armas menores e mais facilmente fabricáveis. Ou seja, a fusão nuclear não é uma solução tão perfeita para a energia limpa como está se fazendo acreditar. Por outro lado, existem também propostas para a construção de reatores de fusão nuclear sem radiação, baseados em um processo conhecido como fusão hidrogênio-boro, que é mais simples do que a fusão deutério-trício. Fonte: https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=ignicao-fusao-nuclear-alcancada-e-agora&id=010115221214#.Y5sN7hXMJ1s

O reator de fusão JT-60SA do Japão se manterá como o maior do mundo até a inauguração do ITER. [Imagem: National Institutes for Quantum Science and Technology] Maior reator de fusão do mundo Engenheiros japoneses deram a partida no maior reator de fusão nuclear do mundo - e ele permanecerá com esse título até o término do projeto internacional ITER. A geração do plasma dentro do tokamak JT-60SA está longe de significar que ele já seja capaz de produzir energia, mas ligá-lo é o primeiro passo essencial, e simbolicamente importante o suficiente para que a equipe marcasse sua inauguração, que deverá acontecer em 10 de Dezembro próximo. O JT-60SA é basicamente uma máquina de pesquisa e desenvolvimento, um reator experimental, só que de um porte não alcançado até hoje. A máquina de quatro andares de altura foi projetada para conter um plasma aquecido a 200 milhões de graus Celsius por cerca de 100 segundos, muito mais tempo do que todos os tokamaks já construídos. Mas chegar a esta marca deverá levar alguns anos. O grande desafio dos reatores de fusão do tipo tokamak está justamente na contenção do plasma dentro de campos magnéticos, já que esse gás ionizado é quente o suficiente para derreter as paredes do reator se a contenção magnética não funcionar. Assim, o plasma é gerado aos poucos, começando por alguns microssegundos, seguido por extensas análises técnicas dos dados, até que haja confiabilidade técnica suficiente para se tentar manter o plasma ativo por mais tempo. Laboratório Como se trata de um laboratório, o reator permitirá que os físicos estudem o plasma e seu comportamento, sobretudo sua insistência em escapar das contenções. O que eles aprenderem será utilizado no ITER, do qual o Japão também é signatário. Mas o JT-60SA não é apenas uma miniatura do ITER - ele tem 15,5 metros de altura, metade do reator internacional. Há uma diferença marcante de projeto, já que o JT-60SA usará apenas hidrogênio e seu isótopo deutério, e não trítio (ou trício). O trítio, uma terceira forma de hidrogênio, é difícil de produzir e, pior de tudo, é radioativa. Ainda assim, o trítio é considerado a opção mais eficiente para a produção de energia por fusão nuclear, por isso ele foi a escolha de combustível para o ITER. Fonte: https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=maior-reator-fusao-nuclear-mundo-ligado&id=010115231101