Jonathan Tennenbaum – 21 de abril de 2020
Parte 2 do sonho de Hidrogênio-Boro: Um experimento feito ha 85 anos poderia abrir a porta para a fusão nuclear sem feixes de laser de bilhões de graus Imagem de capa: Estrutura subnuclear do núcleo de um átomo de silício.
Em 1933, os físicos britânicos Ernest Rutherford e Mark Oliphant relataram uma série de experimentos em que bombardearam uma fina película do bórax composto de boro por um feixe de prótons (núcleos de átomos de hidrogênio) e registraram a emissão de partículas alfa de alta energia (núcleos de átomos de hélio).
Isso confirmou a evidência anterior de Cockcroft e Walton, de que as reações nucleares estavam ocorrendo entre prótons e núcleos de boro, resultando na transmutação de elementos químicos: do hidrogênio e do boro, obtemos o hélio. Esta reação hidrogênio-boro (ou próton-boro) foi uma das muitas reações nucleares descobertas na década de 1930.
Uma análise mais detalhada revelou que o núcleo do boro, tendo absorvido um próton, se divide em três partículas alfa, que voam com velocidades enormes. A energia total contida em seu movimento – sua energia cinética – acaba sendo milhões de vezes maior do que a energia liberada pelo átomo em qualquer reação química conhecida.
Isso torna a reação hidrogênio-boro, junto com reações nucleares mais familiares, como a fissão do urânio e a fusão dos isótopos de hidrogênio deutério e trítio, em um candidato potencial para a produção de energia em larga escala. Ainda mais porque o boro é um elemento facilmente disponível.
Olhando mais de perto, a reação em questão ocorre apenas com um isótopo específico do boro, chamado boro-11. Sem problemas, o boro-11 representa 80% do boro que ocorre naturalmente.
Embora a reação de hidrogênio-boro seja comumente referida como uma forma de fusão, talvez seja mais preciso descrevê-la como uma combinação de um processo de fusão e fissão: Um núcleo de hidrogênio (um próton, denotado como p no diagrama) funde-se com um núcleo B-11 para formar um núcleo instável e altamente excitado do isótopo de carbono C-12; este núcleo de carbono excitado se divide quase instantaneamente em três partículas alfa de alta energia que voam em velocidades enormes. (Essa, pelo menos, parece ser a descrição geralmente aceita do que acontece.)
Uma série de razões torna a reação hidrogênio-boro especialmente atrativa como fonte de energia.
1. Reservas praticamente ilimitadas de combustível
Uma, já mencionada, é que há bastante boro disponível, junto com quantidades virtualmente infinitas de hidrogênio da água comum. Com base na reação hidrogênio-boro, um único grama de mistura de hidrogênio-boro produziria quase tanta energia quanto a que é liberada pela combustão de três toneladas de carvão. As atuais reservas comprovadas de boro, contidas no bórax e outros minerais, chegam a mais de um bilhão de toneladas. Um pouco de aritmética nos mostra que isso seria suficiente para abastecer o consumo mundial de eletricidade nos níveis atuais por um milhão de anos.
2. Geração de energia livre de radioatividade
Uma segunda grande vantagem é que a reação nuclear de hidrogênio-boro praticamente não produz radioatividade. Os produtos da reação, as partículas alfa – idênticas aos núcleos dos átomos de hélio comuns – são partículas estáveis, que não sofrem decaimento radioativo. Além disso, a radiação alfa (partículas alfa velozes) tem um poder de penetração muito baixo. As partículas alfa perdem rapidamente sua energia por colisões elásticas com núcleos mais pesados quando interagem com materiais comuns.
Mesmo nas altas energias indicadas, as partículas alfa têm um alcance de apenas alguns centímetros no ar e podem ser interrompidas por algumas camadas de papel. A radiação alfa é perigosa para a saúde apenas se uma pessoa for exposta a ela diretamente a uma distância muito curta. Além disso, a radioatividade gerada por reações secundárias, por exemplo, causada por reações raras entre as partículas alfa e outros núcleos, é insignificante.
Em contraste, as reações de fusão entre os isótopos de hidrogênio deutério (D) e trítio (T), que têm sido o foco principal do desenvolvimento da energia de fusão até agora, liberam radiação gama penetrante e – o mais problemático – grande número de nêutrons. Esses nêutrons são absorvidos pelos núcleos dos materiais circundantes, transformando alguns deles em isótopos radioativos.
Embora o problema de descarte de materiais “ativados” em reatores de fusão DT seja relativamente menor em comparação com o problema apresentado por rejeitos radioativos de reatores de fissão nuclear, ele impõe custos e torna o reator mais complicado. Este problema não existe para a reação hidrogênio-boro. Pertence à classe das chamadas reações nucleares aneutrônicas.
3. Geração direta de eletricidade
Uma terceira grande vantagem reside no fato de que as partículas alfa são eletricamente carregadas, carregando duas unidades de eletricidade positiva. Podemos pensar em um fluxo de partículas alfa de movimento rápido como uma corrente elétrica de alta voltagem. Fazendo com que as partículas percorram um campo elétrico, podemos transformar sua energia de movimento em energia elétrica, praticamente sem perdas. Os trocadores de calor, bombas e sistemas de turbina, que respondem por grande parte do custo do combustível fóssil ou das usinas de fissão nuclear, tornam-se supérfluos.
Tudo isso parece maravilhoso. Mas agora começa o problema.
Atualmente, praticamente todas as pesquisas em energia de fusão têm se concentrado na reação deutério-trítio. O DT é de longe o mais fácil de realizar, em termos da combinação necessária de temperaturas, pressões e durações de “queima”. No entanto, apesar de mais de meio século de pesquisa e dezenas de bilhões de dólares em P&D, a meta de geração de energia líquida a partir das reações de DT ainda não foi alcançada.
Mesmo assim, o caminho do experimento bem-sucedido ao reator em funcionamento promete ser longo e difícil. Pelo menos para as abordagens que estão recebendo a maior parte do financiamento hoje. Nos últimos anos, quantias significativas de dinheiro privado têm sido direcionadas para caminhos alternativos, alguns deles bastante promissores.
A reação hidrogênio-boro é incomparavelmente mais difícil do que o DT, em termos da combinação necessária de parâmetros físicos. Entre outras coisas, os núcleos nem sempre reagem ao colidir, mas apenas com uma certa probabilidade, a chamada “seção de choque transversal” da reação. A seção de choque transversal da reação para hidrogênio-boro – e, portanto, também a taxa de reação – é cerca de 300 vezes menor para a reação hidrogênio-boro, do que para a reação DT convencional.
A temperatura necessária também é 10 vezes mais alta, e a energia obtida por reação de hidrogênio-boro é a metade daquela de uma reação DT. A razão para essas diferenças reside nas especificidades das estruturas nucleares e nas interações envolvidas. Existem outras questões, como perdas de energia potencialmente muito maiores devido ao chamado bremsstrahlung (radiação de freamento), mas isso seria muito técnico para entrar aqui.
Em suma, os obstáculos para explorar a reação hidrogênio-boro como uma fonte de energia prática parecem tão imensos que dificilmente foi considerada uma opção séria. Pelo menos pela grande maioria da comunidade de fusão.
Um raio de esperança?
Nesse ponto, o leitor pode fazer uma pergunta ingênua: se Rutherford e Oliphant já geraram reações de hidrogênio-boro com um acelerador de prótons rudimentar, 85 anos atrás, então por que não aumentamos isso? Suas medições mostraram, de fato, que a energia liberada quando um próton em movimento rápido colide e reage com um núcleo de boro é mais de 10 vezes a energia original do próton.
A simples irradiação de um alvo de boro com um feixe de prótons parece uma maneira fácil de gerar energia. Aceleradores de prótons compactos estão disponíveis no mercado. Qual é o problema? Acima de tudo, para que precisamos de temperaturas de bilhões de graus?
É fácil explicar por que a abordagem simplista do alvo do feixe, que acabamos de descrever, não funciona. Em primeiro lugar, apenas uma pequena porcentagem dos prótons no feixe realmente desencadeia reações – o problema da “seção transversal”. O resto dos prótons ricocheteiam, voam ou são perdidos e, com eles, a energia gasta para acelerá-los. A eficiência geral é menor que zero. Isso se aplica não apenas à reação hidrogênio-boro, mas também à reação deutério-trítio muito mais “fácil”.
E agora?
Para fazer com que a fusão resulte em termos energéticos, não adianta tentar fazer as reações acontecerem separadamente, uma a uma. Precisamos de algum tipo de processo coletivo, no sentido mais amplo do termo.
A abordagem mais grosseira seria simplesmente colocar o maior número possível de partículas mutuamente repelentes em uma garrafa (compressão) e agitar a mistura violentamente (aquecimento), fazendo com que saltassem e colidissem umas com as outras o mais rápido possível. Continue assim até que ocorra o máximo possível de reações de fusão. Espero que você termine com mais energia do que gasta no processo de agitação.
Em última análise, apesar de toda a sua enorme sofisticação tecnológica, as abordagens principais para realizar a energia de fusão até agora se resumem a este cenário básico. Poderíamos chamá-lo de cenário “térmico” na medida em que o calor – uma forma desordenada de energia – catalisa todo o processo.
No caso do hidrogênio-boro, pelas razões apontadas acima, o cenário térmico oferece poucas esperanças. Isso exigiria uma combinação de temperatura, densidade e o chamado tempo de confinamento – o tempo durante o qual o processo é mantido em seu estado comprimido e aquecido – muito além do alcance da tecnologia atual ou facilmente previsível.
Felizmente, o advento dos lasers de ultra-alta potência e da “luz extrema” abre a porta para um método de atalho para realizar a fusão hidrogênio-boro, na qual processos coletivos não térmicos e altamente organizados desempenham um papel decisivo.
Jonathan Tennenbaum recebeu seu PhD em matemática pela Universidade da Califórnia em 1973 aos 22 anos. Também físico, linguista e pianista, ele é um ex-editor da revista FUSION. Ele mora em Berlim e viaja frequentemente para a Ásia e outros lugares, como consultor em economia, ciência e tecnologia.
Fonte: https://asiatimes.com/2020/04/nuclear-powers-ray-of-hope-hydrogen-boron-fusion/
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