E.M.Pinto & A. M. Andropova

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No dia 12 de fevereiro de 2025, o Tokomak – WEST, operada pelo Comissariado de Energia Atômica e Energias Alternativas da França (CEA), atingiu um marco significativo ao manter um plasma por mais de 22 minutos. Esse feito supera o recorde anterior de duração do plasma em um Tokamak e representa um avanço no conhecimento e controle tecnológico desses sistemas. A conquista reforça a viabilidade da estabilização dos plasmas de fusão por períodos mais longos, um objetivo fundamental para energia do futuro.

O  WEST, localizado no centro de pesquisas CEA Cadarache, no sul da França, é uma das instalações de médio porte do consórcio EUROfusion. Em 12 de fevereiro, a máquina manteve um plasma ativo por 1337 segundos, superando em 25% o recorde anterior, estabelecido algumas semanas antes pelo tokamak EAST, na China. Durante esse período, o plasma atingiu temperaturas de até 50 milhões de graus Celsius.

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A obtenção de tempos de confinamento cada vez mais longos é essencial para o desenvolvimento de reatores como o ITER, que precisarão manter plasmas de fusão estáveis por vários minutos. O grande desafio da fusão nuclear reside no controle desses plasmas, que são naturalmente instáveis, além da necessidade de garantir que os componentes internos do reator resistam à radiação intensa sem sofrer danos ou comprometer a pureza do próprio plasma.

O que são os Tokamaks?

O nome Tokamak é uma sigla derivada do russo “ТОКАМАК” (ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками), que significa “Câmara Toroidal com Bobinas Magnéticas”.

O termo foi criado na entã União Soviética na década de 1950, quando os cientistas Igor Tamm e Andrei Sakharov desenvolveram o conceito desse tipo de reator para o confinamento magnético do plasma na pesquisa de fusão nuclear. A estrutura toroidal (em forma de rosca) e o uso de fortes campos magnéticos permitem que o plasma quente seja mantido confinado sem tocar nas paredes do reator, um dos principais desafios da fusão nuclear. Hoje, os Tokamaks são desenvolvidos com tecnologias mais avançadas e promissoras qeu  buscam produzir energia de fusão  bem mais controlada.

Como dito, os Tokamaks são dispositivos projetados para confinar plasma a temperaturas extremamente elevadas na ordem de milhões de graus Celcius, reproduzindo temperaturas muito mais elvadas queaas do núcleo do sol. Para isso utilizam campos magnéticos para viabilizar a fusão nuclear controlada. Considerados a principal tecnologia experimental para a obtenção de energia por fusão, esses reatores possuem uma estrutura toroidal  e funcionam aquecendo átomos de hidrogênio à temperaturas superiores a 100 milhões de graus Celsius. Nessas condições extremas, os núcleos atômicos se fundem, liberando uma quantidade significativa de energia, de forma semelhante ao que ocorre no interior das estrelas.

A fusão nuclear ocorre quando núcleos leves, como os isótopos de hidrogênio, se combinam para formar um núcleo mais pesado, liberando grandes quantidades de energia. Os principais combustíveis utilizados nesse processo são:

• Deutério (²H ou D) – Isótopo do hidrogênio com um próton e um nêutron.
• Trítio (³H ou T) – Isótopo do hidrogênio com um próton e dois nêutrons.
• Hélio-3 (³He) – Isótopo leve do hélio, com dois prótons e um nêutron.
• Boro-11 (¹¹B) – Pode ser usado em fusões aneutrônicas para reduzir a produção de nêutrons.

 

Modelo esquemático dos processos de Fusão e de Fissão nuclear

Reação de Fusão	Combustíveis	Produto Principal	Energia Liberada (MeV)	Observação
Deutério-Trítio (D-T)	²H + ³H	⁴He + ¹n	17,6	Mais eficiente, usada no ITER
Deutério-Deutério (D-D)	²H + ²H	³He + ¹n ou ³H + ¹H	3,3 – 4,0	Menos eficiente, mas combustível mais abundante
Deutério-Hélio-3 (D-³He)	²H + ³He	⁴He + ¹H	18,3	Produz menos nêutrons, tecnologia ainda em estudo
Hélio-3-Hélio-3 (³He-³He)	³He + ³He	⁴He + 2¹H	12,9	Combustível raro na Terra, possível uso lunar
Boro-11 + Próton (¹¹B + ¹H)	¹¹B + ¹H	3 × ⁴He	8,7	Reação aneutrônica, minimiza resíduos radioativos

A reação Deutério-Trítio (D-T) é a mais utilizada em pesquisas porque ocorre em temperaturas mais baixas (~100-150 milhões de graus Celsius) e libera a maior quantidade de energia. No entanto, como o trítio é escasso e radioativo, reatores futuros podem priorizar reações como Deutério-Deutério (D-D) ou Deutério-Hélio-3 (D-³He).

Quais as vantagens da Fusão em relação à fissão?

Atualmente dispomos de reatores de fissão do Urânio-235 libera cerca de 200 MeV por núcleo fissionado (quebra do núcleo). Como 1 g de U-235 que contém aproximadamente 2,56 × 10²¹ átomos, a energia total  produz algo como 227,8kWh. Como resultado se tem energia, porém com a produção de resíduo radioativo. Porém, para reação de Deutério-Trítio (D-T), esta libera cerca de 17,6 MeV por reação. Considerando que 1 g de hidrogênio contém 3,01 × 10²³ átomos.

Vantagens da Fusão Nuclear	Desvantagens da Fusão Nuclear
Fonte de energia limpa – Não emite gases de efeito estufa, contribuindo para a redução do impacto ambiental.	Altos custos de desenvolvimento – Projetos como o ITER já ultrapassam os US$ 25 bilhões, tornando o investimento inicial muito alto.
Combustível abundante – O deutério pode ser extraído da água do mar, e o trítio pode ser produzido a partir do lítio, garantindo suprimento por milhares de anos.	Desafios tecnológicos – Manter o plasma confinado em temperaturas superiores a 100 milhões de graus Celsius exige materiais extremamente resistentes e sofisticados.
Baixo risco de acidentes nucleares – Diferente da fissão, a fusão não corre o risco de derretimento do reator (como em Chernobyl e Fukushima).	Dificuldade de manter a reação estável – O plasma é altamente instável e pode se dissipar rapidamente, exigindo controle rigoroso.
Não gera resíduos radioativos de longa duração – O hélio gerado na fusão não é radioativo, e os resíduos possuem meia-vida curta.	Produção limitada de trítio – O trítio, um dos combustíveis da fusão, não ocorre naturalmente em grande quantidade e precisa ser produzido dentro dos reatores.
Alto potencial energético – A fusão pode fornecer uma quantidade gigantesca de energia, com 1 grama de combustível liberando energia equivalente a toneladas de combustíveis fósseis.	Baixa eficiência energética inicial – Os reatores atuais ainda consomem mais energia do que conseguem gerar, dificultando a viabilidade comercial.
Solução para a crise energética – Pode fornecer energia estável e contínua sem depender de fatores climáticos, ao contrário da energia solar e eólica.	Viabilidade comercial incerta – Apesar dos avanços, ainda não há previsão concreta para que a fusão nuclear se torne economicamente competitiva.

No processo de Fissão, quando um átomo de urânio-235  colide com um nêutron e sofre fissão, ele pode se dividir em diferentes produtos de fissão, dependendo das condições da reação. Se a reação resultar na formação de bário-146e lantânio-146 , isso indica uma particularidade nos produtos de fissão. A reação pode ser descrita da seguinte forma:

Absorção do nêutron, o nêutron é absorvido pelo núcleo de Urânio-235, que se torna urânio-236 , um isótopo instável.

O núcleo de urânio-236 se divide em dois fragmentos principais, liberando uma grande quantidade de energia e, geralmente, mais nêutrons. Os fragmentos de fissão podem ser, por exemplo, bário-146 e lantânio-146, mas esses produtos podem variar dependendo das condições da fissão.
Quando o  U235 se divide em Ba146 e La146, esses fragmentos são parte do processo de fissão nuclear, onde o núcleo original se separa em dois núcleos mais leves, além de nêutrons e energia. Finalmente como arte do processo, há a liberação de nêutrons rápidos (geralmente entre 2 e 3 nêutrons por fissão) e energia na forma de calor.

Comparação da energia produzida por Fissão e Fusão

Processo	Energia liberada por reação (MeV)	Número de reações em 1g	Energia total (J)	Equivalente em kWh
Fissão (U-235)	~200 MeV	~2,56 × 10²¹	~8,2 × 10¹¹ J	~227.8 kWh
Fusão (D-T)	17,6 MeV	~3,01 × 10²³	~8,4 × 10¹² J	~2333.3 kWh

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Ou seja, a fusão nuclear (D-T) gera aproximadamente 10 vezes mais energia do que a fissão do U-235, considerando a mesma massa de combustível. Para efeitos práticos, 1 g de hidrogênio usado na fusão poderia abastecer uma residência média unifamiliar (4 pessoas) por cerca de 3 meses, enquanto 1 g de urânio por fissão teria uma autonomia menor de apenas (10-12  dias). Ademais, a fusão tem a vantagem de usar combustível mais abundante.

Energia “inesgotável”

Uma das principais vantagens dos Tokamaks é a promessa de uma fonte de energia limpa, segura e praticamente inesgotável. Diferentemente da fissão nuclear, que utiliza elementos pesados como urânio e plutônio e gera resíduos radioativos de longa duração, a fusão nuclear utiliza isótopos de hidrogênio, como deutério e trítio, resultando na produção de hélio e em níveis reduzidos de radioatividade residual.

Além disso, a fusão não emite gases de efeito estufa, contribuindo para a redução do impacto ambiental e tornando-se uma alternativa atrativa diante da crise climática e da necessidade de transição energética global. Outra vantagem é a abundância de combustível, uma vez que o deutério pode ser extraído da água do mar, e o trítio pode ser produzido a partir do lítio, garantindo suprimento para milhares de anos.

Como tudo tem um “porém”, a viabilização da fusão nuclear enfrenta desafios tecnológicos e econômicos significativos. O confinamento do plasma, que atinge temperaturas várias vezes superiores às do núcleo do Sol, exige campos magnéticos extremamente intensos e materiais altamente resistentes.

As paredes internas do reator devem suportar as interações com o plasma sem sofrer desgaste prematuro ou liberar impurezas que possam desestabilizá-lo. Outro obstáculo técnico é a necessidade de manter a reação de fusão de forma contínua, o que exige soluções inovadoras para o controle e o aquecimento do plasma. Projetos como o ITER, na França, e o EAST, na China, vêm avançando na superação dessas barreiras, porém, ainda há um longo caminho até que a fusão nuclear possa ser utilizada comercialmente.

Além dos desafios técnicos, há questões econômicas e logísticas envolvidas. Os investimentos necessários para a construção e manutenção de Tokamaks são extremamente elevados, com o ITER já ultrapassando a marca de US$25 bilhõe, a viabilidade econômica da fusão como fonte competitiva de eletricidade ainda não está comprovada, especialmente diante da rápida evolução de outras fontes renováveis, como a energia solar e eólica.

O papel do WEST no avanço da Fusão Nuclear

O WEST é uma plataforma de pesquisa do CEA que se beneficia de décadas de experiência da instituição no estudo de plasmas por meio de Tokamaks. O projeto reúne pesquisadores de diversas partes do mundo e conta com tecnologias avançadas, como bobinas supercondutoras e componentes resfriados ativamente, que possibilitam a manutenção de plasmas por períodos prolongados.

O trabalho realizado no WEST faz parte de um esforço internacional que inclui experimentos em outras grandes instalações, como o JET (Joint European Torus) no Reino Unido que detinha o recorde de produção de energia por fusão até seu encerramento em 2023, o JT-60SA no Japão, o EAST na China, o KSTAR na Coreia do Sul e o próprio ITER, considerado o principal projeto de fusão nuclear da atualidade.

Segundo Anne-Isabelle Etienvre, Diretora de Pesquisa Fundamental do CEA, o “WEST” alcançou um marco tecnológico significativo ao manter o plasma de hidrogênio por mais de 20 minutos, utilizando a injeção de 2 MW de potência térmica. Os experimentos continuarão com níveis de potência ainda maiores. Esse excelente resultado coloca tanto o WEST quanto a comunidade científica francesa na vanguarda da pesquisa para o futuro uso do ITER”.

Principais progeramas centros de pesquisa internacionais

Disputa por recursos estratégicos e conflitos

A fusão nuclear requer materiais específicos, além de tecnologias avançadas para sua implementação. Países com acesso a esses recursos ou com capacidade tecnológica para desenvolvê-los podem se tornar alvos de disputas internacionais. A escassez de matérias-primas essenciais, pode intensificar conflitos entre nações, especialmente em regiões já instáveis, como o Oriente Médio e a África. A história mostra que a competição por recursos naturais, como petróleo, já foi catalisadora de conflitos; com a fusão nuclear, esse cenário pode se repetir em escala ampliada.

Fora isso, o domínio da fusão nuclear pode criar um desequilíbrio de poder entre nações. Países que conseguirem dominar essa tecnologia primeiro terão uma vantagem estratégica significativa, tanto em termos econômicos quanto militares. Essa assimetria pode levar a uma corrida armamentista, onde nações menos desenvolvidas busquem compensar sua desvantagem com armas convencionais ou nucleares. Além disso, a possibilidade de usar a fusão nuclear para fins militares, como a criação de armas de energia direta, pode aumentar a tensão internacional.
Embora inicialmente destinada para os fins pacíficos, pode ser desviada para aplicações militares. O conhecimento e a infraestrutura necessários para a fusão podem ser adaptados para o desenvolvimento de armas avançadas, como bombas de hidrogênio. A disseminação dessa tecnologia para países instáveis pode aumentar o risco de conflitos regionais que escalem para uma guerra global. A comunidade internacional já enfrenta desafios semelhantes com a proliferação de armas nucleares.

Esta tecnologia tem o potencial de revolucionar a economia global, reduzindo a dependência de combustíveis fósseis e redefinindo as cadeias de suprimentos energéticos. Países cujas economias dependem da exportação de petróleo e gás, como Rússia e Arábia Saudita, Venezuela, indonésia, malásia dentre outras podem enfrentar crises econômicas profundas, levando a instabilidade política e social. Essa instabilidade pode resultar em conflitos internos e externos, com nações afetadas buscando compensar suas perdas através de ações militares ou alianças agressivas.

Por último a corrida pela fusão nuclear pode aumentar as rivalidades geopolíticas existentes, especialmente entre potências como Estados Unidos, China e Rússia. O nacionalismo tecnológico, onde países buscam monopolizar ou controlar tecnologias avançadas para garantir sua supremacia, pode levar a uma fragmentação da cooperação internacional. A falta de um marco regulatório global para o uso da fusão nuclear pode resultar em ações unilaterais e agressivas, aumentando o risco de conflitos diretos entre grandes potências.

Quando poderemos sonhar com um reator nuclear operacional?

O futuro da energia de fusão nuclear é visto como uma das soluções mais promissoras para a demanda global por energia limpa, mas sua viabilidade comercial ainda é incerta. Projetos como o ITER , buscam demonstrar o “ganho energético positivo”, produzindo mais energia do que a consumida. No entanto, especialistas alertam que o ITER é um experimento, e a transição para reatores comerciais, como o DEMO, só deve ocorrer por volta de 2040 ou 2050.

Os desafios técnicos são enormes, como a necessidade de atingir temperaturas superiores a 150 milhões de graus Celsius e estabilizar o plasma, além da escassez de trítio, um combustível essencial. Além disso, os custos elevados de construção e operação tornam a fusão menos competitiva frente a fontes como solar e eólica. Empresas privadas, como Commonwealth Fusion Systems e Tokamak Energy, estão tentando acelerar o processo com reatores menores e mais eficientes, mas especialistas ressaltam que ainda é cedo para garantir sucesso.

Apesar dos avanços, a fusão nuclear comercial provavelmente só se tornará realidade entre 2050 e 2060, dependendo de avanços tecnológicos e redução de custos. Para os especialistas, a fusão continua sendo uma promessa crucial para o futuro da energia limpa, mas sua concretização exigirá décadas de pesquisa e investimento.
Porém, não desanime, 2050 é logo ali,  por incrível que pareça, 30 anos para ciência e para tecnologia é um piscar de olhos.

Fonte

1. BATANI, Dimitri et al. Future for inertial-fusion energy in Europe: a roadmap. High Power Laser Science and Engineering, v. 11, p. e83, 2023.[LINK]
2. JUAREZ, R. et al. A full and heterogeneous model of the ITER tokamak for comprehensive nuclear analyses. Nature Energy, v. 6, n. 2, p. 150-157, 2021. [LINK]
3. DEGRAVE, Jonas et al. Magnetic control of tokamak plasmas through deep reinforcement learning. Nature, v. 602, n. 7897, p. 414-419, 2022.[LINK]
4. WHITE, Roscoe B. Theory of tokamak plasmas. Elsevier, 2017. [LINK]
5. VEGA, Jesús et al. Disruption prediction with artificial intelligence techniques in tokamak plasmas. Nature Physics, v. 18, n. 7, p. 741-750, 2022. [LINK]

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