ITER: o futuro da fusão nuclear se joga na França com o tokamak

© ITER
Localizado no site Cadarache em Saint-Paul-lez-Durance em Bouches-du-Rhône, este projeto de reator de fusão nuclear pode não ser desconhecido para você! E por um bom motivo: o ITER é simplesmente o projeto científico mais colossal do mundo hoje. Mas em que exatamente consiste? Quais são as vantagens e possíveis perigos? Descriptografia e respostas em nosso artigo.
É na zona rural, cerca de 40 km a norte de Aix-en-Provence, numa área que se estende por 42 Ha, que este reator nuclear algo peculiar vem sendo erguido há quase 10 anos. anos.

O maior programa de pesquisa científica do mundo

ITER, sigla para International Thermonuclear Experimental Reactor é um projeto titânico que reúne oito membros que abrangem 35 países: a União Europeia e os Estados Unidos, mas também Rússia, China, Índia, Coreia do Sul, Japão, bem como a Suíça. Tem como objetivo: “Demonstrar a viabilidade da fusão nuclear como modo de produção massiva de energia”.
Confirmado em 21 de novembro de 2006 com a assinatura do acordo final no Palácio do Eliseu, a vontade de implantar este projeto não data de ontem. A ideia inicial foi de fato proposta a François Mitterrand, bem como a Ronald Reagan, em 1985 por Mikhaïl Gorbachev, quando a URSS já vinha desenvolvendo protótipos Tokamak desde 1960. Seguiu-se uma longa fase de estudo e projeto, que foi notavelmente adiada pela retirada dos Estados Unidos em 1998, e seu retorno em 2003, também acompanhados pela China e Coréia do Sul, depois pelos Estados Unidos. Índia um pouco mais tarde.

"O site ITER é uma das maiores obras de engenharia civil em construção na Europa"

A escolha do local de Cadarache para a construção do ITER foi aprovada em 2005, devendo o país anfitrião (França) suportar 40% das despesas. O orçamento viu sua alocação dobrar desde que passou de 10 bilhões de euros em 2008 para quase 20 bilhões em 2016.
Visto no tokamak do projeto ITER em construção em abril de 2018 © ITER
Lançado em 2010, o Desde então, o site do ITER é uma das maiores estruturas de engenharia civil atualmente em construção na Europa . Mais de 2.000 trabalhadores trabalham todos os dias neste local, que abrigará o maior programa de pesquisa científica do mundo, mas também certamente um dos mais ambiciosos e complexos,o de reproduzir as reações físicas que comumente ocorrem no sol e nas estrelas.

O que é fusão nuclear?

A fusão é uma reação nuclear que, como a fissão, altera a composição do núcleo, com a diferença, porém, de que não é um núcleo pesado que se quebra, mas vários núcleos leves que se fundem para para criar átomos mais pesados. Em seu estado natural, a fusão é um dos fenômenos que ocorrem dentro das estrelas e fornecem-lhes energia. É então designada pelo nome de nucleossíntese estelar.Com as condições extremas que lá prevalecem (pressão, temperatura), os átomos de hidrogênio que constituem principalmente as estrelas colidem e depois se fundem para formar átomos de hélio. Esta combustão de hidrogênio libera uma quantidade considerável de energia, aquela que atua no coração do Sol e que iluminou cada um de nossos dias desde o alvorecer dos tempos!
© ITER
O projeto ITER pretende controlar este processo na Terra graças ao Tokamak - sobre o qual falaremos mais detalhadamente mais tarde - e assim ser capaz de produzir energia em massa.

As vantagens da fusão nuclear

O desafio é imenso, assim como as apostas deste projeto, já que o processo de fusão nuclear permitiria produzir muito mais energia do que com um simples reator nuclear, mas acima de tudo reduzir significativamente a produção de resíduos. cuja radiação radioativa será muito menor e durante um período de tempo relativamente curto.

Deutério e trítio: combustíveis abundantes e de baixo nível

Os átomos que devem produzir uma reação de fusão nuclear dentro do tokamak são dois isótopos de hidrogênio: deutério e trítio . Como um lembrete, o isótopo de um elemento químico é um átomo que possui o mesmo número atômico e, portanto, as mesmas propriedades químicas, ou quase, que o elemento inicial (mesmo número de prótons e elétrons). Aqui, é o número de nêutrons, partículas que compõem o núcleo, que varia. Portanto, a massa atômica de um isótopo é diferente de seu elemento químico original e suas propriedades físicas não são as mesmas - ao contrário de suas propriedades químicas.
O uso desses átomos tem muitas vantagens.Em primeiro lugar, o deutério não é radioativo e seus recursos são virtualmente inesgotáveis. Na verdade, é encontrado na água doce, mas também na água do mar, portanto é possível extrair 33 gramas de deutério em cada metro cúbico de água do mar graças a uma separação isotópica bem controlada conhecida como nome do Processo de Girdler .
Os três isótopos de hidrogênio O
trítio é radioativo, mas sua meia-vida (meia-vida) é de apenas 12 anos. Embora o trítio seja muito raro em seu estado natural, ele pode ser produzido por irradiação de lítio, um metal alcalino encontrado em grandes quantidades na crosta terrestre.Para iniciar a sua fase operacional, o ITER utilizará, no entanto, um estoque de trítio proveniente de descargas de reatores nucleares de água pesada pressurizada, como é o caso do reator canadense CANDU.

"Ao contrário da fissão nuclear, a fusão não produz nenhuma emissão de CO ₂ "

Por fim, além de recursos quase inesgotáveis ​​e da produção de resíduos radioativos de baixo nível (os materiais ITER podem ser reciclados 100 anos após o encerramento da instalação), a fusão nuclear não produz emissões de CO ₂ . A única emissão será de hélio, gás praticamente inerte e atóxico.
Para comparação, fissão nuclear, que consiste na divisão de átomos de plutônio ou urânio, produz resíduos extremamente perigosos que podem, para alguns, permanecer radioativos por vários milhares ou mesmo milhões de anos. O mesmo é verdade para rejeitos de tratamento de mineração, dos quais o urânio foi extraído. Esses resíduos requerem estruturas de aterro extremamente complexas (contenção geológica) e embora sua gestão seja muito rigorosa, ainda são vistos pelos cidadãos e por muitos pesquisadores como uma espécie de “presente envenenado” para as gerações futuras. A cisão nuclear também contribui para as emissões de CO ₂ , em particular para a extração de matérias-primas. Claro, as emissões de CO ₂as usinas nucleares estão muito aquém das usinas a gás ou carvão; eles são comparáveis ​​aos das energias renováveis.

Os perigos da fusão nuclear

É legítimo fazer muitas perguntas sobre a fusão nuclear e seus possíveis perigos. Os acidentes ocorridos nos últimos anos, notadamente Fukushima e Chernobyl, deixaram uma marca indelével na história da humanidade. Os temores sobre a fissão nuclear, portanto, permanecem bem fundamentados, embora as instalações nucleares e aterros sanitários em todo o mundo sejam estritamente controlados. No entanto, no que diz respeito à fusão nuclear e projetos como o do ITER, o perigo de uma fuga nuclear (reação em cadeia) pode ser excluído. Nenhum acidente do tipo Fukushima é possível com um reator de fusão: o plasma obtido em um tokamak sendo muito difícil de produzir, o menor incidente resulta automaticamente noparando a reação.
As protuberâncias solares resultam de uma interrupção no fluxo de plasma © NASA / SDO

"Os riscos sísmicos são frequentemente destacados pelos críticos do projeto"

No entanto, um reator de fusão nuclear não está isento de riscos, os riscos sísmicos são, aliás, frequentemente apresentados pelos detratores do projeto. Os outros argumentos frequentemente evocados prendem-se com o factor de desconhecido que reina com o projecto Iter que, lembra-nos, visa “provar a viabilidade científica e técnica da fusão nuclear como nova fonte de energia”. Assim, os oponentes do projeto questionam a possível instabilidade do tokamak que poderia resultar da grande dificuldade em manter um plasma em temperatura muito alta. Segundo eles, o fenômeno de “rompimento” seria capaz de causar danos significativos à instalação e em particular às suas paredes contendo berílio, metal tóxico com ponto de fusão de apenas 1.280 ° C.

Amplie o Tokamak

Um pouco de historia

Inventado na década de 1950 pelo pai da bomba H, Andrei Sakharov, e pelo físico nuclear Igor Tamm, o tokamak é uma câmara de contenção magnética em formato toroidal. O primeiro modelo, denominado T1, foi construído no Instituto Kurchatov em Moscou e entrou em serviço em 1958.

"O tokamak será desenvolvido em todo o mundo e em particular na França, com o tokamak de Fontenay-aux-Roses"

Os primeiros resultados obtidos com esta instalação serão, no entanto, ignorados no mundo científico, apenas 10 anos depois com a publicação de uma nova série de resultados que investigadores de muitos países começarão a ter um sério interesse neste. máquina famosa. Na década de 1970, o tokamak será desenvolvido em todo o mundo e em particular nos Estados Unidos, mas também na França com o tokamak de Fontenay-aux-Roses (TFR).
The Joint European Torus (JET) em 1991 © EFDA JET
Desde então, avanços consideráveis ​​foram feitos no campo da fusão. Entrado em serviço em 1983, o Joint European Torus (JET) de Culham no Reino Unido - resultante da colaboração entre 20 países da Europa - será o primeiro tokamak a conseguir criar uma fusão controlada a partir de uma mistura de deutério- trítio em 1991, para obter o melhor balanço de energia em 1997 com um fator Q = 0,65. Este fator corresponde à energia produzida em relação à energia consumida, um fator inferior a 1 significa que a instalação consome mais energia do que produz. O objetivo assumido por instalações como o JET, ou mesmo o tokamak japonês JT-60 é atingir pelo menos um fator Q = 1, também chamado de ponto de equilíbrio.

"O tokamak localizado no site Cadarache é o primeiro a ter sido equipado com ímãs supercondutores"

Mais recentemente, os projetos se multiplicaram. A Academia Chinesa de Ciências, por exemplo, conseguiu manter um plasma de hidrogênio por 102 segundos a uma temperatura de 50 milhões de graus Celsius. O tokamak Tore Supra localizado no site Cadarache desde 1988 é o primeiro a ter sido equipado com ímãs supercondutores para criar campos magnéticos poderosos continuamente, e desde 2003 ele detém o recorde de tempo de operação (6 minutos e 30 segundos ) Tore Supra, assim como West, seu sucessor desde 2016, representam um passo importante no desenvolvimento do ITER.

O tokamak ITER

Para atingir esse ponto de equilíbrio e até conseguir produzir mais energia do que um tokamak consome para aquecer o plasma a várias centenas de milhões de graus Celsius, a ideia de uma instalação muito maior e mais poderosa surgiu rapidamente e materializado em 1986 com o acordo dos Estados Unidos, Europa e Japão para aderir ao projeto ITER. O principal objetivo deste projeto é, em primeiro lugar, ultrapassar o ponto de equilíbrio, o famoso fator Q , a fim de provar que a fusão nuclear pode ser usada como uma nova fonte de energia. Mas as ambições deste projeto vão muito mais longe, uma vez queo rolo compressor do ITER (23.000 toneladas) deve ser capaz de produzir energia de fusão de 500 megawatts (MW) por apenas 50 MW consumidos, para aquecer o plasma a cerca de 150 milhões de graus Celsius, um fator de Q = 10.

"O calendário ITER define a data de produção experimental do primeiro plasma para dezembro de 2025"

Vista do tokamak e dos sistemas integrados da instalação ITER © Oak Ridge National Laboratory
O calendário ITER define a data de produção experimental do primeiro plasma para dezembro de 2025, esta primeira fase de operação deve permitir numerosos experiências científicas. O início da mineração de deutério-trítio está programado para 2035, quando o ITER deverá então ser capaz de operar com potência total.

DEMO: o sucessor do ITER

Se os experimentos com o ITER derem frutos, outro reator de fusão nuclear poderá tomar seu lugar até 2040. Este é o DEMO (para Usina de Demonstração), um reator que deve operar continuamente e, ao contrário do ITER, ser conectado à rede elétrica. Como o nome sugere, será, portanto, um demonstrador industrial por meio do qual protótipos mais baratos poderão ser montados para fins comerciais. DEMO deve ser capaz de produzir pelo menos uma energia de fusão de 2 gigawatts para um fator Q = 25.
Se cumprirmos o cronograma e o sucesso do projeto ITER, a primeira demonstração da produção de eletricidade acontecerá em 2048. A implementação de outro projeto seguir-se-á,chamado PROTO, que serviria como um protótipo de usina.