O professor assistente Ethan Peterson está abordando algumas das questões práticas e negligenciadas que precisam ser resolvidas para usinas de energia de fusão viáveis.
No outono de 2009, quando Ethan Peterson ’13 chegou ao MIT como estudante de graduação, ele já tinha algumas ideias sobre possíveis opções de carreira. Ele sempre gostou de construir coisas, desde criança, então imaginou que seu trabalho futuro envolveria algum tipo de engenharia. Ele também gostava de física. E recentemente ele decidiu reduzir a nossa dependência dos combustíveis fósseis e, simultaneamente, reduzir as emissões de gases com efeito de estufa, o que o levou a considerar estudar a energia photo voltaic e eólica, entre outras fontes renováveis.
As coisas se cristalizaram para ele no semestre da primavera de 2010, quando fez um curso introdutório à fusão nuclear, ministrado por Ana Brancadurante o qual ele descobriu que quando um núcleo de deutério e um núcleo de trítio se combinam para produzir um núcleo de hélio, um nêutron energético (14 mega elétron-volts) – viajando a um sexto da velocidade da luz – é liberado. Além disso, 1020 (100 bilhões de bilhões) desses nêutrons seriam produzidos a cada segundo de operação de uma usina de fusão de 500 megawatts. “Foi revelador para mim saber o quão denso em energia é o processo de fusão”, diz Peterson, que se tornou professor de desenvolvimento de carreira da turma de 1956 de ciência e engenharia nuclear em julho de 2024. “Fiquei impressionado com a riqueza e natureza interdisciplinar do campo da fusão. Esta period uma disciplina de engenharia onde eu poderia aplicar a física para resolver um problema do mundo actual de uma forma que fosse ao mesmo tempo interessante e bonita.”
Ele emblem se formou em física e engenharia nuclear e, quando se formou no MIT em 2013, o Departamento de Energia dos EUA (DoE) já havia decidido cortar o financiamento para o MIT. Alcator C-Mod projeto de fusão. Tendo em vista o fechamento iminente daquela instalação, Peterson optou por cursar pós-graduação na Universidade de Wisconsin. Lá, ele adquiriu formação científica básica em física de plasma, que é elementary não apenas para a fusão nuclear, mas também para fenômenos astrofísicos como o vento photo voltaic.
Quando Peterson recebeu seu doutorado em Wisconsin em 2019, a fusão nuclear havia se recuperado no MIT com o lançamento, um ano antes, do SPARC projeto – um esforço colaborativo sendo realizado com o recém-fundado spinout do MIT, Commonwealth Fusion Techniques. Ele retornou à sua alma mater como pós-doutorando e depois como cientista pesquisador no Centro de Ciência e Fusão de Plasmademorando-se, a princípio, para descobrir a melhor forma de deixar sua marca em campo.
Cuidando de seus nêutrons
Nessa altura, Peterson participava num processo de planeamento comunitário, patrocinado pelo DoE, que se centrava em lacunas críticas que precisavam de ser colmatadas para um programa de fusão bem-sucedido. No decurso destas discussões, ele percebeu que tinha sido dada atenção inadequada ao manuseamento dos neutrões, que transportam 80 por cento da energia proveniente de uma reacção de fusão – energia que precisa de ser aproveitada para a geração eléctrica. No entanto, estes neutrões são tão energéticos que podem penetrar através de muitas dezenas de centímetros de materials, minando potencialmente a integridade estrutural dos componentes e danificando equipamentos vitais, como ímanes supercondutores. A blindagem também é essencial para proteger os humanos contra radiações prejudiciais.
Um objetivo, diz Peterson, é minimizar o número de nêutrons que escapam e, ao fazê-lo, reduzir a quantidade de energia perdida. Um objetivo complementar, acrescenta ele, “é fazer com que os nêutrons depositem calor onde você deseja e impedi-los de depositar calor onde você não deseja”. Estas considerações, por sua vez, podem ter uma influência profunda no projeto do reator de fusão. Este ramo da engenharia nuclear, chamado neutrónica – que analisa onde os neutrões são criados e para onde vão – tornou-se a especialidade de Peterson.
Nunca foi uma área de pesquisa de destaque na comunidade de fusão – já que a física do plasma, por exemplo, sempre recebeu mais destaque e mais financiamento. É exatamente por isso que Peterson se apresentou. “Os impactos dos nêutrons no projeto dos reatores de fusão não são uma prioridade há muito tempo”, diz ele. “Senti que alguma iniciativa precisava ser tomada”, e isso o levou a mudar da física do plasma para a neutrônica. Esse tem sido seu foco principal desde então – como pós-doutorado, pesquisador e agora como membro do corpo docente.
Um código para projetar
A melhor maneira de fazer com que um nêutron transfira sua energia é fazê-lo colidir com um átomo leve. O lítio, com número atômico de três, ou materiais que contenham lítio são normalmente boas escolhas – e necessários para a produção de combustível de trítio. A colocação de “cobertores” de lítio, destinados a absorver energia de nêutrons e produzir trítio, “é uma parte crítica do projeto de reatores de fusão”, diz Peterson. Materiais de alta densidade, como chumbo e tungstênio, podem ser usados, inversamente, para bloquear a passagem de nêutrons e outros tipos de radiação. “Você pode querer colocar esses materiais de alta e baixa densidade em camadas de uma forma complicada que não seja imediatamente intuitiva”, acrescenta. Determinar quais materiais colocar onde – e de que espessura e massa – representa um problema de otimização complicado, que afetará o tamanho, o custo e a eficiência de uma usina de energia de fusão.
Para esse fim, Peterson desenvolveu ferramentas de modelagem que podem tornar análises desse tipo mais fáceis e rápidas, facilitando assim o processo de design. “Essa tem sido tradicionalmente a etapa que leva mais tempo e causa os maiores atrasos”, diz ele. Além disso, os modelos e algoritmos que ele e os seus colegas estão a desenvolver são suficientemente gerais para serem compatíveis com uma vasta gama de conceitos de centrais eléctricas de fusão, incluindo aquelas que utilizam ímanes ou lasers para confinar o plasma.
Agora que se tornou professor, Peterson está em condições de apresentar a engenharia nuclear a mais pessoas e, em specific, à neutrónica. “Adoro ensinar e orientar alunos, compartilhando coisas que me entusiasmam”, diz ele. “Fui inspirado por todos os professores que tive em física e engenharia nuclear no MIT e espero retribuir à comunidade da mesma forma.”
Ele também acredita que se você vai trabalhar em fusão, não há lugar melhor para estar do que o MIT, “onde as instalações são incomparáveis. As pessoas aqui são extremamente inovadoras e apaixonadas. E o grande número de pessoas que se destacam em suas áreas é impressionante.” Às vezes, grandes ideias podem ser despertadas por conversas improvisadas no corredor – algo que acontece com mais frequência do que você espera, observa Peterson. “Todas essas coisas juntas fazem do MIT um lugar muito especial.”
