Nuclear Fusion: a unicorn or the next industrial revolution? Part I (EN/PT)

The world of the atom carries many names. Some of them are famous, like Rutherford, Bohr or Fermi, but there were many others, both before (such as Pierre and Marie Curie) and after (such as Otto Hahn or Lise Meitner). In fact, it was Lise’s nephew – Otto Frisch – that confirmed experimentally in 1939 that breaking up a particular uranium nucleus (nuclear fission) released a huge amount of energy, granting him a part in the Manhattan project.

Much has happened since then, not just historically but also scientifically and technically. These advances leave us dreaming of the possibility of nuclear fusion, in other words, merging atom nuclei, replicating the mechanism that powers stars, right here on our planet and, why not, outside of it as well.

Fig.1 – Raw visible light image of plasma inside a Polywell reactor

The advantages of achieving such an energy source are both beautiful and outstanding:

  • Fusion could release up to 4 times more energy than fission and 4 million times more energy than burning fossil fuels, and if achieved, it would be regulatable, meaning we could generate a base load and interact with the grid without problems
  • Fusion fuels are (in some cases) nearly impossible to run out of
  • There’s absolutely no release of any greenhouse gas whatsoever
  • There’s no long-lived radioactive waste (fusion would leave materials radioactive for approximately 1 century only when compared to the thousands of years of the existing nuclear fission power plants)
  • Although some of the fuel for fusion is radioactive, and therefore represents a major security problem, it cannot be used directly to make a bomb, making it way less problematic than securing, for instance, enriched Uranium, not to mention there are alternatives which generate no significant radioactive material whatsoever
  • Absolutely risk free from a technical standpoint, that is, if there was an operation problem or an accident (such as an earthquake or an explosion) there would be no risk at all for the population, for there’s no risk of a chain reaction and there’s very little fuel in the reactor.

However, all of these criteria, put together, sound almost like a miracle, nothing more than science fiction which obviously leaves us wondering… is it? Is it possible? Can it be done? The answer is clearly yes. Yes it can. Someone somewhere is probably doing it while you read this.

Nevertheless, can we do it outside of the lab, generating the energy output we need to power cities, cars, trains and space missions, all of this in a perfectly stable manner and at an affordable cost? Well the truth is there’s no answer to that… at least for now. In fact some believe commercial nuclear fusion to be no more real than a unicorn.

The only thing known for sure is that it’s a question bound to generate passionate answers, both from the side of the “No” and the “Yes”, and any answer is bound to be a very complex one. In this article I’ll try and interest you in this matter, while in the second part I’ll try to show both sides of the argument, and let you decide for yourself which one to believe.

The Basics

It’s hard to comment on the pros and cons of such a technology without first introducing the supreme basics the underlie it. This means oversimplifying things which are not that simple. That said, we all know that atoms are composed of electrons (really very small negatively charged particles) “orbiting” a nucleus, which is in itself composed of protons (positively charged particles) and neutrons (particles without electric charge).

What defines an atom is the number of protons its nucleus holds, for instance, an atom with one proton in its nucleus is a hydrogen (H) but an atom with two protons is helium (He). Nevertheless, all atoms can have more or fewer neutrons in the nucleus. All the possible variations are known as isotopes. Isotopes are defined by the sum of the protons and neutrons in the nucleus, for instance: a hydrogen atom with two neutrons and one proton is said to have a mass number of 3. You could call it “hydrogen-3” (or in this specific case by the fancy name of tritium).

Fig.2 – Hydrogen isotopes (Wikimedia)

Also, an atom nucleus can have more or less electrons “orbiting” it while still having the same mass number (remember it’s the sum of neutrons and protons in the nucleus). Those variations are known as ions.

Well, fusion is achieved by heating a fuel (isotopes of light atoms) into a plasma (a state of matter, just like a liquid or a solid, composed of a cocktail of ions and free electrons) at insane temperatures over 100 million degrees. At these temperatures the various elements in the fuel fuse together releasing copious amounts of energy which, when converted to heat, can then be converted to other, more useful forms, such as electric energy.

Fig.3 – Schematic of D-T fusion (Southeast images)

But how? Well, remember Einstein’s famous E=mc2? What this tells us is that mass and energy are two sides of the same coin, therefore a loss of mass has its equivalent in energy. But how much energy? The answer lies in an isotope’s binding energy, i.e. the energy required to release a neutron or proton from the nucleus. Imagine that some atoms and isotopes are sort of “more efficient” than others, hence they require less energy to do the same action (in this case unite the nucleons together).

Fig.4 – Binding Energy Chart (Scienceblogs)

If you look at the chart you see that uranium has a smaller binding energy (BE) than the atoms before it, therefore, if you break it into smaller atoms (with higher BE) these will be “more efficient”, they will weigh less, that lost mass being converted to energy and released under many forms (and you have your standard fission reaction). If you start on the other end though, you see that if you join isotopes with low BE into other ones with higher BE, the result will also be “more efficient” (and weigh less) therefore extra energy is released (and you have your fusion reaction).

Now that you have a PhD in nuclear physics, let’s look a bit deeper.

The fuel problem

Deuterium (D) (in other words plain old-fashion Hydrogen) is a naturally occurring isotope that can be found on water (a.k.a. heavy water) for instance, so it’s relatively cheap to produce and non-pollutant.

Nevertheless, the same can’t be said of Tritium (T), which is naturally non-existent, highly radioactive, and only has a half-life of about 12 years. Definitely it isn’t the coolest fuel source, but the worst part is that it simply doesn’t exist… anywhere (at least for practical purposes). Nowadays Tritium can be extracted at some selected nuclear power plants, but at an extraordinary cost – tens of millions of USD per kg. As if this wasn’t enough, these plants are not getting any younger and will probably stop operation in the coming decades meaning that, accounting for the decay of existing stocks, the global inventory of this material is probably around 20kg. The US operates a special extraction facility but right now it’s part of its nuclear weapons programme.

Helium-3 is also stable and exists in nature, albeit in very low quantities, approximately only 0.000137% of the total helium available. However there’s a lot of it on the moon’s surface which is creating a lot of buzz regarding the possibility of a future mining exploration in our satellite’s surface.

Boron is stable, not known to be toxic, it’s also naturally occurring and “only” costs around 5.000 USD/kg.

Well, given the choices above, which fuel should we use? D-D appears a good choice. Nevertheless, the probability of achieving nuclear fusion using D-D reactions is 1000 times inferior to that of D-T and 100 times inferior to D-3He! So, using the standard Tokamak reactor design (we’ll see more about it in the next part) and at the temperatures we hope to achieve with our best prototypes, we are stuck with D-T reactions and, as we’ve seen, Tritium sucks.

Fig.4 – Interior of a Tokamak reactor (stopped and in operation)

Also, because we actually want a continuous reaction (and as we’ve seen Tritium is not the most abundant material on Earth right now), we need to generate more tritium than the one we actually spend. (Hopefully) It can be done through a process call “breeding”. This involves a Lithium blanket surrounding the reactor, between 0.5 and 1m thick, which amounts to a modest thousands of tons of lithium. Since lithium is not the most plentiful thing to come by, any project using this technology probably would see its costs rise by tens (and perhaps even hundreds) of millions of USD. But it gets worse, since we are not even sure if Tritium breeding is achievable at these scales, since most research is based on computer simulations.

What to expect?

But things don’t get any easier for Nuclear Fusion enthusiasts, for fuel is just the first of the many problems that this technology encounters. Sustaining the plasma, material resistance and obviously outrageous costs are just some of the issues that have to be tackled and won. All of this, in a large timeframe where all other renewable and storage technologies keep evolving (who knows the efficiencies and stability we can obtain in a couple of decades time).

But before you quit, just take a minute to picture the potential of a regulatable, clean, safe, cheap, almost unending and perhaps even super transportable energy source? We are talking cheaper ultra-fast electric transportation (like Hyperloop, the Maglev or electric transcontinental flight), 0% carbon emissions in only a couple of decades (instead of the several centuries ahead of us at this pace) or even Earth to Mars travel in just a few hours.

So the optimists shouldn’t despair just yet, for not all designs are made equal. Although the Tokamak is the most extensively studied design, fusion is being pursued in a number of ways, which are as different from each other as water is from wine. In fact some of them have shown interesting results, and are cheaper, more compact and less problematic than the Tokamak.

In the next part of this article we’ll look into some of the competitors in this race and their differences and try to compare them to competing renewables and fission. Again: remember the immense benefits we could reap from achieving commercial fusion.

Author: Hugo Martins | Data Analyst & Consultant

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[Portuguese version]

O mundo do átomo carrega muitos nomes. Alguns são famosos, como Rutherford, Bohr ou Fermi, mas houve muitos outros, tanto antes (como Pierre e Marie Curie) como depois (como Otto Hahn ou Lise Meitner). De facto, foi o sobrinho de Lise – Otto Frisch – que confirmou experimentalmente, em 1939, que romper um núcleo específico de Urânio (cisão nuclear) libertava uma quantidade incrível de energia, descoberta que lhe garantiu um lugar no Projeto Manhattan.

Muito aconteceu desde então, não só historicamente, mas também cientifica e tecnicamente. Estes avanços abrem a porta à imaginação no que toca à possibilidade da fusão nuclear, noutras palavras, fundir núcleos de átomos, replicando o mecanismo que está no coração das estrelas, aqui mesmo no nosso planeta e, porque não, fora dele também.

As vantagens de atingir esta fonte de energia são tão belas quanto portentosas:

Fig.1 – Raw visible light image of plasma inside a Polywell reactor

As vantagens de atingir esta fonte de energia são tão belas quanto portentosas:

  • A fusão nuclear poderia libertar até 4 vezes mais energia que a cisão e 4 milhões de vezes mais energia que a queima de combustíveis fósseis e, se feita de forma controlada, seria manipulável, o que significa que seria possível gerar uma carga base e interagir com a rede elétrica sem problemas de regulação;
  • Os combustíveis utilizados na fusão são (na sua grande maioria) quase inesgotáveis;
  • Não existe absolutamente nenhuma libertação de gases de efeito de estufa;
  • Não gera resíduos radioativos de longa duração (a fusão nuclear deixaria os materiais radioativos por somente um século aproximadamente, quando comparada com as dezenas de milhares de anos dos resíduos radioativos provenientes da cisão);
  • Embora alguns dos possíveis combustíveis utilizados em fusão sejam radioativos e, portanto, representem um problema de segurança importante, não podem ser utilizados diretamente para criar uma bomba, pelo que são muito menos perigosos que por exemplo Urânio enriquecido, isto sem mencionar que existem alternativas de fusão que não utilizam (nem geram) combustíveis radioativos;
  • Totalmente segura de um ponto de vista operacional já que, se houvesse um problema operativo ou um acidente (como um sismo ou uma explosão), não existiria risco para a população porque não há perigo de uma reação em cadeia e há muito pouco combustível dentro do reator em qualquer momento.

Mas todos estes critérios, quando postos em conjunto, soam quase a milagre, nada mais que ficção científica, o que gera a dúvida legítima de se é realmente possível fundir átomos. A resposta é claramente: sim! Não só é possível mas provavelmente, nalgum lugar do Mundo, está a acontecer enquanto lê estas palavras.

Ainda assim, podemos obter fusão nuclear fora do laboratório, gerando energia elétrica numa quantidade tal que nos permita alimentar cidades, carros, comboios ou missões espaciais, tudo isto de uma forma perfeitamente estável e com um custo razoável? A verdade é que não há resposta a esta pergunta, pelo menos por agora. De facto, muitos acreditam que a fusão nuclear a nível comercial é tão real como a existência de um unicórnio.

O único que se sabe ao certo é que este é um debate aceso que gera opiniões apaixonadas, tanto do lado do “sim” como do “não” e qualquer uma das respostas é forçosamente bastante complexa. Neste artigo tentarei despertar o interesse do leitor para este tema e, numa segunda parte, tentarei apresentar os argumentos de ambos lados para que o leitor possa decidir por si mesmo.

O básico

É difícil apresentar o positivo e o negativo de uma tecnologia deste tipo sem antes introduzir os conceitos fundamentais que a suportam. Isto é sinónimo de simplificar temas que não são assim tão simples. Dito isto, todos sabemos que os átomos são compostos de eletrões (partículas mesmo muito pequenas e com carga elétrica negativa) que “orbitam” um núcleo composto de protões (partículas com carga elétrica positiva) e neutrões (partículas sem carga elétrica).

O que define um átomo é o número de protões existentes no núcleo, por exemplo, um núcleo com um protão é um Hidrogénio (H) ao passo que um núcleo com dois protões é um Hélio (He). No entanto, todos os átomos podem ter mais ou menos neutrões no núcleo. A todas estas possíveis variações dá-se o nome de isótopo. Os isótopos são definidos pela soma do número de protões e neutrões no núcleo, por exemplo, um átomo de hidrogénio com 2 neutrões e 1 protão tem um número de massa de 3. Poderia chamar-lhe “Hidrogénio-3” ou, neste caso particular, pelo nome chique de Trítio.

Fig.2 – Hydrogen isotopes (Wikimedia)

Mas não é só o número de neutrões que pode variar, mantendo mesmo número de massa (isto é, a soma do número de protões e neutrões) pode variar também o número de eletrões que “orbitam” o núcleo. Estas variações são conhecidas como iões.

Ora bem, a fusão consegue-se aquecendo um combustível (isótopos de átomos leves) até se obter um plasma (um estado da matéria, tal como os estados líquido ou sólido, composto de um cocktail de iões e eletrões livres) à temperatura absurdamente elevada de 100 milhões de graus centígrados. A estas temperaturas os isótopos do combustível fundem-se, libertando uma quantidade enorme de energia que, uma vez convertida em calor, pode ser reconvertida noutras formas mais úteis de energia, em particular energia elétrica.

Fig.3 – Schematic of D-T fusion (Southeast images)

Mas como? Ora bem, lembra-se da famosa equação de Einstein E=mc2? O que isto nos diz é que massa e energia são duas caras da mesma moeda, portanto uma perda de massa tem o seu equivalente em energia. Mas quanta energia? A resposta reside na energia de ligação nuclear de um determinado isótopo, isto é, a energia necessária para separar um neutrão ou protão de um núcleo. Imagine que alguns átomos e isótopos são “mais eficientes” que outros, portanto, requerem menos energia para realizar a mesma ação (neste caso essa ação é manter os nucleões unidos).

Fig.4 – Binding Energy Chart (Scienceblogs)

Se observarmos o gráfico anterior veremos que o Urânio tem uma energia de ligação nuclear (EL) inferior aos átomos que o precedem, logo, se “partirmos” este átomo noutros mais pequenos (com maior EL) estes serão “mais eficientes”, pesarão menos, e essa diferença de massa será convertida em energia libertando-se sob várias formas (e temos a já conhecida reação de cisão). No entanto, podemos começar pelo extremo oposto e verificamos que, ao unir isótopos com menor EL para criar outros com maior EL, o resultado final será também “mais eficiente” (e pesará menos) logo libertará energia (e obtemos a energia proveniente da fusão).

Agora que já tem um Doutoramento em Física Nuclear, vamos ver algumas particularidades.

O problema do combustível

Deutério (D) (ou, por outras palavras, o típico átomo de hidrogénio) é um isótopo do átomo Hidrogénio que existe na Natureza, em particular na água (conhecida como água pesada), portanto é não-poluente e relativamente barato de produzir.

Ainda assim, o mesmo não se pode dizer do Trítio (T), que não existe na Natureza, é altamente radioativo e somente tem uma semivida de sensivelmente 12 anos. Definitivamente este não é o combustível mais fixe, mas a pior parte é que simplesmente não existe… em lugar algum (pelo menos para efeitos práticos). Atualmente o trítio é extraído em algumas centrais nucleares muito particulares, mas a um custo exorbitante e incomportável – na ordem das dezenas de milhões de dólares. Como se não bastasse, estas centrais não estão a ficar mais jovens, o que significa que provavelmente deixarão de operar nas próximas décadas. Se contabilizarmos o decaimento dos stocks atualmente existentes, a reserva global deste material deve rondar uns meros 20kg! Os Estados Unidos operam uma central especial de extração deste material, mas atualmente faz parte do seu programa de armamento nuclear.

O Hélio-3 é também um isótopo estável e existe na Natureza embora em quantidades muito pequenas, unicamente 0.000137% de todo o Hélio disponível no Planeta. Ainda assim, existe muito Hélio-3 na superfície lunar, o que está a gerar muita especulação sobre a viabilidade de operações de extração mineira no nosso satélite natural.

O Boro é estável e não tóxico. Também existe na Natureza e tem “apenas” um custo aproximado de 5.000 USD/kg.

Ora bem, dadas as escolhas anteriores, que combustível deveríamos utilizar? D-D parece uma boa escolha. Mas a probabilidade de conseguir uma reação de fusão usando reações D-D é 1000 vezes inferior a reações D-T e 100 vezes inferior a reações D-3He! Portanto, utilizando o tipo mais experimentado de reator – o TOKAMAK (o qual veremos mais em detalhe na segunda parte) – e às temperaturas que esperamos atingir com os nossos melhores protótipos estamos atualmente presos a reações do tipo D-T e, como vimos, o Trítio não é nada fixe.

Fig.4 – Interior of a Tokamak reactor (stopped and in operation)

Mas a história não termina aqui. Como o objetivo é que um reator deste tipo tenha uma operação (quase) contínua e o Trítio não é o material mais abundante do Planeta (eufemisticamente falando), durante a reação precisamos de gerar mais trítio do que aquele que consumimos. Espera-se que isto possa ser realizado bombardeando isótopos de lítio com os neutrões ejetados pelas reações de fusão. No entanto, este processo implica revestir o reator com o que designam por “cobertor”: uma barreira de lítio entre 0,5 e 1m de espessura, ou seja milhares de toneladas de lítio. Como o lítio não é a coisa mais fácil de obter, qualquer projeto que procure utilizar esta tecnologia verá o seu custo incrementado em dezenas (e talvez até centenas) de milhões de dólares. Mas o pior não fica por aqui, porque nem sequer se sabe se é possível gerar a quantidade esperada de trítio desta forma, já que a maioria da investigação ao respeito é baseada em simulações numéricas.

O que esperar?

Tristemente as coisas não ficam mais fáceis para os entusiastas desta tecnologia, já que o combustível é meramente o primeiro de inúmeros obstáculos no caminho a uma reação constante. Suster o plasma, resistência de materiais ou os óbvios insustentáveis custos de construção e manutenção são outros dos problemas que terão que ser atacados e vencidos. Tudo isto, num intervalo de tempo considerável, onde as tecnologias de energia renovável e de armazenamento continuarão a evoluir (quem sabe as eficiências e estabilidade que conseguiremos num par de décadas).

Mas, antes de desistir, gastemos um minuto a pensar no potencial de uma forma de energia regulável, limpa, segura, barata, quase inesgotável e talvez até super transportável! Estamos a falar de transportes ultra rápidos e ultra baratos (desde conceitos como o Hyperloop ou voos intercontinentais 100% elétricos, até realidades como o Maglev), redução a 0 das nossas emissões de CO2 em apenas umas décadas (por oposição aos vários séculos que temos por diante a este ritmo) ou até mesmo viajar da Terra a Marte em apenas umas horas.

Os otimistas não deverão desesperar por agora, porque nem toda tecnologia de fusão é igual entre si. Embora o Tokamak seja o desenho mais extensivamente estudado em larga escala, há indivíduos e empresas a perseguir o sonho da fusão de várias maneiras que são tão diferentes entre si como a água é do vinho e, algumas destas tecnologias, já demonstraram resultados muito interessantes e (em teoria) são mais económicas, mais compactas e ordens de magnitude menos problemáticas que um reator do tipo Tokamak.

Na segunda parte deste artigo veremos em detalhe alguns dos concorrentes nesta corrida e quais as diferenças entre si e tentaremos compará-los às tecnologias de energia renovável e de cisão nuclear. Termino pedindo ao leitor que imagine tudo o que poderíamos conseguir con uma fonte de energia deste calibre.

Author: Hugo Martins | Data Analyst & Consultant

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