A energia de fusão nuclear é real desta vez? Algumas concessionárias acreditam que sim.

Várias concessionárias de serviços públicos estão explorando parcerias com startups de fusão nuclear que prometem implantar a tecnologia de ponta em escala comercial — um feito que iludiu os cientistas por décadas.

Avanços técnicos recentes em laboratórios governamentais ao redor do mundo aproximaram esse marco, mas a indústria e os especialistas estão divididos sobre o quão perto isso chegará.

“Estamos vendo essas empresas levando um pouco mais a sério seus planos de localização e implantação, parando de fazer apenas promessas vagas sobre colocar a fusão na rede 'em alguns anos'”, disse Patrick White, líder do grupo de segurança e regulamentação de fusão da Clean Air Task Force.

Dentro de um reator de fusão nuclear, átomos leves se chocam sob um calor incrível. A energia liberada aciona um sistema de conversão de energia semelhante aos encontrados nas salas de geradores de usinas termelétricas existentes. A eletricidade sai do outro lado. O processo é altamente energético: uma tonelada do isótopo de hidrogênio deutério, um possível combustível de fusão, contém o equivalente energético de 29 bilhões de toneladas de carvão .

A energia de fusão comercial ainda existe apenas em teoria, pois sustentar uma reação de colisão de átomos terrestres em temperaturas mais altas que o núcleo do Sol é um desafio técnico formidável. Durante anos, cientistas alertaram que a energia de fusão comercial estava sempre 50 anos distante .

Agora, eles não têm tanta certeza.

No final de 2022, o Laboratório Nacional Lawrence Livermore, do Departamento de Energia dos EUA, anunciou ter alcançado um avanço crucial. Pela primeira vez, cientistas locais criaram e sustentaram brevemente uma reação de fusão que gerou mais energia do que consumiu – um limiar chamado "ganho líquido de energia" ou "Q>1".

Os lasers que desencadearam a reação consumiram cerca de 90 kW de eletricidade em um período medido em nanossegundos, disse Patrick Poole, um físico pesquisador do LLNL envolvido na descoberta.

No início deste ano, instalações de fusão na China e na França sustentaram reações por mais de 15 minutos , muito mais tempo do que o experimento LLNL. A CEA, a instalação de fusão francesa, afirmou em fevereiro que durações de várias horas estavam ao seu alcance.

Mas também afirmou que é “improvável” que a tecnologia de fusão faça uma contribuição significativa para atingir emissões líquidas zero de carbono até 2050, citando enormes requisitos de infraestrutura e “vários pontos de discórdia tecnológica [que] precisam ser superados”.

O Reator Termonuclear Experimental Internacional de 500 MW, o principal projeto de fusão liderado pelo governo do Hemisfério Ocidental em construção no sul da França, está quase uma década atrasado e bilhões de euros acima do orçamento .

A maioria das concessionárias de serviços públicos e empresas privadas de fusão dos EUA concorda que ainda há desafios técnicos significativos a serem resolvidos para que a energia de fusão comercial se torne realidade. Mas acreditam que isso pode acontecer dentro de 10 a 15 anos — e talvez até antes.

Com o apoio do CEO da OpenAI, Sam Altman, a startup de fusão Helion começou a trabalhar em julho em uma usina de fusão de 50 MW no estado de Washington, que, segundo ela, entrará em operação em 2028 .

“Nossa confiança reside no fato de termos construído sete protótipos que realizaram fusão”, disse Anthony Pancotti, cofundador e chefe de P&D da Helion, por e-mail. “Com o início da construção da nossa primeira usina de fusão em Málaga [Washington], estamos no caminho certo para cumprir nosso compromisso com a Microsoft de disponibilizar elétrons de fusão na rede até 2028.”

Outra startup, a Commonwealth Fusion Systems, pretende ativar seu reator de teste em Massachusetts um ano antes , em 2027, e então firmar uma parceria com a Dominion Energy para implantar uma usina comercial de 400 MW na Virgínia no início da década de 2030, segundo a empresa. A empresa está construindo um reator tokamak em formato de donut , semelhante ao projeto em desenvolvimento no ITER.

A usina de energia de 400 MW provavelmente seria "um bloco de construção padrão que permitirá uma fabricação ainda mais modular e economias de escala", disse o diretor comercial da Commonwealth Fusion Systems, Rick Needham, em um e-mail.

Embora menor do que a maioria dos reatores de fissão convencionais em operação na frota nuclear dos EUA atualmente, uma usina de 400 MW seria equivalente a unidades individuais em usinas modernas a carvão ou a gás de ciclo combinado. Futuros clientes de serviços públicos ou usuários finais diretos poderiam hospedar várias usinas em um único local, conforme necessário, disse Needham.

“Com relação aos preços finais da energia, estamos confiantes de que nossas futuras usinas ARC podem ser a forma de energia limpa e firme de menor custo que pode ser implantada essencialmente em qualquer lugar”, disse Needham.

Um porta-voz da Dominion Energy se recusou a dar mais detalhes "além do que já dissemos publicamente" sobre os planos para a usina na Virgínia. Não está claro se a concessionária fez algum investimento direto no projeto até o momento.

Mais ao sul, a Tennessee Valley Authority está reforçando sua parceria com a Type One Energy com o objetivo de colocar uma instalação de fusão de 350 MW em operação "já em meados da década de 2030".

Um acordo de cooperação anunciado em fevereiro dá continuidade a uma parceria anterior focada na implantação de um protótipo de fusão na usina de carvão desativada de Bull Run da TVA.

O projeto agora "abrange um engajamento mais profundo e amplo em direção à comercialização de energia de fusão", afirmou a Type One em um comunicado. Inclui acesso às Oficinas de Serviços de Energia da TVA em Muscle Shoals, Alabama, que, segundo as empresas, permitirão o desenvolvimento da cadeia de suprimentos e a fabricação de componentes modulares, bem como "talentos e recursos" para o desenvolvimento de mão de obra nos estados do Tennessee e Alabama.

“Estamos estabelecendo parcerias estratégicas com empresas inovadoras como a Type One Energy para promover o desenvolvimento de tecnologias nucleares”, disse Bob Moul, CEO da TVA, em um comunicado. “Estou entusiasmado com a possibilidade de a primeira usina de fusão stellarator comercial dos EUA ser construída no Vale do Tennessee.”

White, da Força-Tarefa do Ar Limpo, alertou que ainda há muito trabalho técnico a ser feito antes que as primeiras usinas de fusão comerciais possam entrar em operação.

Assim como na indústria de fissão avançada, cada startup de fusão dá seu toque pessoal à tecnologia e equilibra fatores-chave como capacidade do reator, eficiência e flexibilidade de produção. As abordagens divergentes sugerem que empresas de fusão bem-sucedidas tentarão conquistar nichos para si mesmas.

“Algumas tecnologias serão mais facilmente reduzidas em potências mais baixas, enquanto outras terão um ótimo econômico em potências mais altas”, disse White. “Não existe uma máquina de fusão universal.”

Poole, do LLNL, disse em uma entrevista que uma usina de fusão viável ainda pode levar de 15 a 30 anos para ser concluída, dependendo de mão de obra, financiamento e sorte. Isso pode não ser rápido o suficiente para empresas de capital de risco que buscam retornos mais rápidos.

“É fácil prometer demais nesse setor”, disse Poole. “Temos medo de que leigos ou o mundo do capital de risco fiquem desanimados se as coisas não derem certo depois de cinco anos.”

Até mesmo alguns líderes do setor privado em fusão consideram um cronograma de 10 anos otimista, sem falar no prazo de três anos da Helion. Eles também afirmam que a energia de fusão a preços competitivos será ilusória mesmo depois que o primeiro trimestre já tiver passado.

“Isso acontece periodicamente na energia de fusão, onde há muita empolgação, uma sensação de que estamos perto”, disse Greg Piefer, CEO da SHINE Technologies, que usa a fusão para produzir radioisótopos médicos .

“Minha opinião é que não apenas não sabemos como limitar o sucesso, mas também não sabemos quanto capital precisa ser investido para que isso seja rentável”, disse Piefer.

Problemas já estão surgindo em alguns setores da indústria.

Em maio, o CEO da General Fusion, sediada em Vancouver, fez um apelo público incomum por novos investimentos , insinuando que a empresa poderia não sobreviver sem eles. Os investidores responderam com US$ 22 milhões, informou a empresa este mês — sem indicar quanto tempo a infusão daria.

Por enquanto, porém, o dinheiro continua fluindo.

Embora ainda seja uma pequena fatia dos US$ 1,2 trilhão que a indústria de energia limpa atraiu entre 2020 e 2023, a Fusion Industry Association diz que o investimento em fusão aumentou cinco vezes desde 2021. O financiamento cumulativo para as 53 startups de fusão monitoradas pela FIA chegou perto de US$ 10 bilhões no início deste ano.

A Commonwealth Fusion Systems está entre as mais bem financiadas do grupo, de acordo com anúncios e dados de captação de recursos disponíveis ao público . A empresa arrecadou mais de US$ 2 bilhões desde a separação do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) em 2018, o que lhe permitiu financiar a construção de seu reator de teste SPARC, próximo à sua sede em Devens, Massachusetts. A expectativa é que o SPARC atinja o primeiro trimestre em 2027.

Seria uma inovação na tecnologia comercial de energia de fusão, disse Needham. É um marco crucial para a CFS, que desenvolve o projeto de reator comercial de tamanho real que chama de ARC, acrescentou.

“O SPARC foi projetado para testar a maioria dos subsistemas necessários para nossas usinas de energia ARC, desenvolver expertise operacional e ajustar o projeto do ARC”, disse Needham.

Quando o SPARC for ligado, ele produzirá um plasma superaquecido que fundirá isótopos de hidrogênio em hélio e liberará nêutrons ricos em energia. É o mesmo processo básico que ocorre no núcleo do Sol, embora a uma pressão muito menor, e uma imagem espelhada da reação de fissão de divisão atômica que alimenta os reatores nucleares comerciais atuais.

Assim como as estrelas, os reatores de fusão produzem poucos resíduos radioativos de longa duração, uma vantagem fundamental sobre a fissão e a base para uma regulamentação federal mais branda . No entanto, ao contrário das máquinas de fusão celestiais, os tokamaks e os stellarators terrestres não podem depender da gravidade para sustentar suas reações. Sem ímãs poderosos para contê-lo, o plasma se dissipa rapidamente.

Esse problema de "contenção" incomodou os cientistas de fusão por décadas. Agora, parece superável graças à tecnologia de ímãs supercondutores que, segundo Needham, tornará as usinas de fusão comerciais mais compactas, rentáveis ​​e econômicas.

O SPARC validará essa tecnologia magnética enquanto a CFS continua trabalhando em outros subsistemas importantes. Entre eles, está a "manta" de sal fundido que captura a energia do tokamak e "novos materiais e designs para aprimorar ainda mais aspectos de nossas usinas, como produção e fator de capacidade", disse Needham.

Se tudo correr bem, esses subsistemas farão sua estreia comercial na ARC, a usina de 400 MW da Virgínia que a CFS e a Dominion planejam desenvolver em conjunto após 2030. Dois dos primeiros investidores da CFS, o Google e a empresa petrolífera italiana Eni , comprarão a maior parte de sua produção.

Needham caracterizou a primeira usina ARC como um modelo para futuras instalações de fusão. Ele afirmou que a usina aumentará as operações ao longo do tempo e ajudará a CFS a validar suas operações em um ambiente conectado à rede, abrindo caminho para que futuras unidades de 400 MW operem com fatores de capacidade equivalentes a outras fontes de energia sólidas. O sistema de transferência de calor por sal fundido poderá eventualmente suportar aplicações de cogeração ou armazenamento de energia, agregando ainda mais valor, acrescentou.

A CFS não é a única empresa que acredita ter um caminho claro para a energia de fusão conectada à rede.

A Helion, sediada em Washington, espera superar sua concorrente da Costa Leste em vários anos. A empresa aposta em um design inovador, um reator menor, um acordo de compra com a Microsoft e capacidade excedente de interconexão em uma barragem hidrelétrica para levar a energia de sua primeira usina comercial à rede até 2028.

O "sistema de fusão pulsada e sem ignição " da Helion combina elementos do projeto relativamente bem estudado do tokamak e outras abordagens de fusão de uma forma que "nos ajuda a superar os desafios físicos mais difíceis [e] a construir dispositivos altamente eficientes em termos de energia", afirma a empresa . Assim como o CFS, a máquina da Helion usa ímãs para confinar o plasma.

Pancotti disse que o Helion gerará eletricidade a partir da própria reação de fusão, evitando a necessidade da infraestrutura do ciclo de vapor encontrada em usinas nucleares tradicionais e "[reduzindo] nossos requisitos gerais de custo de capital".

A empresa planeja fabricar muitos de seus equipamentos e sistemas em sua fábrica em Everett, Washington, ele acrescentou.

“Nossa estratégia é essencialmente construir uma linha de montagem que nos permitirá obter economias de escala para futuras plantas e fabricar componentes críticos internamente”, disse ele.

A Helion também planeja operar um sistema de circuito fechado que produza o combustível necessário para a usina, disse ele. Pool afirmou que esse é um objetivo bastante comum entre startups de fusão.

Mas Pancotti admitiu que a Helion “continua a refinar nossos materiais de revestimento de plasma… e nossas bobinas magnéticas, com o objetivo de estender a vida útil da produção de energia comercial”.

Independentemente da tecnologia ou do design, o endurecimento dos materiais dos reatores para suportar temperaturas e radiação intensas por anos a fio é um problema que toda empresa de fusão comercial terá que resolver mais cedo ou mais tarde, disse Poole.

A SHINE Technologies se destaca entre as startups de fusão pelo que chama de " abordagem que prioriza a receita ". Ela está produzindo e vendendo radioisótopos comerciais em um acelerador de partículas em Wisconsin , inaugurado em 2023. Como se preocupa apenas em produzir nêutrons e não energia líquida, Piefer disse que a máquina da SHINE é muito mais simples do que máquinas de produção de energia projetadas para confinar plasma por longos períodos de tempo.

A linha de negócios de radioisótopos da SHINE gera uma receita significativa, disse Piefer, embora não tenha revelado exatamente quanto. O fluxo de caixa poderia eventualmente financiar um avanço na reciclagem de resíduos nucleares e, posteriormente, na energia de fusão, de acordo com um cronograma no site da SHINE.

"Não seremos os primeiros a atingir o Q>1, mas seremos os primeiros a alcançar uma economia maior que um", brincou Piefer — o que significa que a SHINE espera ser lucrativa muito antes de seus concorrentes. "O pior cenário é que seremos os construtores de instalações de fusão mais experientes do mundo e deixaremos que outros comercializem a energia de fusão."

Piefer, doutor em engenharia nuclear, concordou com Poole, do LLNL, que isso pode levar até 30 anos para acontecer. Mas, apesar de seu ceticismo em relação ao atual grupo de startups e seus cronogramas agressivos, até ele acredita que a geração comercial de eletricidade por fusão nuclear é inevitável.

“O que sabemos é que está tudo se encaixando”, disse ele. “Estamos em um ponto de inflexão em que deixaremos de ser uma sociedade que queima energia química e passaremos a ser uma sociedade movida a energia nuclear.”