Fusão nuclear é o processo de formação de um núcleo a partir da colisão e posterior junção de dois núcleos menores. Os núcleos que colidem devem ter, inicialmente, uma energia cinética que lhes permita se aproximar contra a repulsão coulombiana o suficiente para que a interação nuclear forte passe a ser efetiva e mais importante. Como a repulsão coulombiana é tanto mais importante quanto maior a carga elétrica dos núcleos em colisão, a fusão nuclear pode ser provocada com mais facilidade entre núcleos com número pequeno de prótons.
A energia cinética mínima dos núcleos para que ocorra a fusão pode ser estimada supondo que a interação nuclear se torna efetiva para uni-los quando eles entram em contato. Então, a energia cinética mínima dos núcleos, supostos esféricos, deve ser igual à energia potencial de repulsão coulombiana entre eles:
EMIN ( 1 / 4pe0 ) Z1Z2e2 / ( R1 + R2 )
onde R1 e R2 são os raios e Z1 e Z2, os números atômicos dos núcleos. Com:
e 1,60 x 10-19 C
1 / 4pe0 8,99 x 109 Nm2 / C2
1J 6,24 x 1012 MeV
R1 + R2 10-14 m
vem:
EMIN 1,44 x 10-1 Z1Z2 MeV
Da teoria cinética sabe-se que a energia cinética média por partícula de um gás é da ordem de kBT, onde:
é a constante de Boltzmann e T, a temperatura kelvin. Um gás dos núcleos de menor número atômico, isto é, um gás de prótons ou um gás de núcleos de deutério, se existisse qualquer um dos dois, deveria ter uma temperatura da ordem de 109 K para que ocorressem fusões porque, fazendo EMIN = kBT com Z1 = Z2 = 1, temos:
Esse resultado representa apenas uma estimativa grosseira. Na verdade, para um gás de prótons ou um gás de núcleos de deutério, já ocorrem fusões se a temperatura é da ordem de 106 K ou, em termos energéticos, se os prótons ou os núcleos de deutério têm energias cinéticas de cerca de 90 eV. É interessante comparar essa energia mínima que devem ter os prótons ou os núcleos de deutério para iniciar as reações de fusão com a energia cinética dos nêutrons térmicos que iniciam as reações de fissão, que é de cerca de 0,03 eV.
Em temperaturas da ordem de 106 K, as unidades básicas de qualquer
substância não são mais os átomos ou moléculas
e sim, os núcleos correspondentes e os elétrons, estes não
mais ligados àqueles devido à intensidade das colisões.
O que se tem é um plasma, ou seja, um gás neutro de núcleos
com carga positiva e elétrons livres, que só pode ser mantido
confinado por campos elétricos e magnéticos.
As estrelas, em sua grande maioria, são bolas de plasma confinado pelo
campo gravitacional e as reações de fusão são
as responsáveis pela produção de energia.
Já foi discutido que o processo de fusão vem acompanhado de liberação de energia porque as energias de ligação por núcleon dos núcleos iniciais são menores do que a energia de ligação por núcleon do núcleo final. Tomando como exemplo a fusão de dois núcleos de oxigênio 16 para formar um núcleo de enxofre 32 foi visto que era liberada uma energia de 25,6 MeV. O cálculo foi o possível de ser feito a partir do gráfico E / A contra A. Agora, fazendo Z1 = Z2 = 8 na expressão para a energia cinética mínima dos núcleos para que ocorra a fusão vem:
Então, em princípio, a energia liberada nessa fusão é suficiente para excitar outros núcleos e produzir uma reação em cadeia. O mesmo vale para outros exemplos de fusão. E de modo análogo ao caso da fissão, num reator nuclear, a reação é controlada, e numa bomba termonuclear (bomba H), não.
Reator de fusão nuclear é qualquer sistema físico onde se produz e se controla uma reação nuclear de fusão em cadeia. Embora existam vários métodos propostos e sendo implementados para a geração de energia por meio da fusão, ainda não existe um reator que funcione satisfatoriamente. A reação de fusão deutério-hélio 3:
2H1 + 3He2 ---> 4He2 + p [ DE = 18,3 MeV ]
e a reação de fusão deutério-trítio:
2H1 + 3H1 ---> 4He2 + n [ DE = 17,6 MeV ]
são consideradas as mais importantes porque liberam grande quantidade de energia por unidade de massa. Contudo, para a implementação da reação deutério-hélio 3, deve-se enfrentar um problema até agora em aberto: enquanto o deutério pode ser facilmente obtido da água do mar, o hélio 3 é raro e não pode ser obtido por qualquer processo simples. Por outro lado, para a implementação da reação deutério-trítio, deve-se enfrentar os seguintes problemas: o trítio é muito raro na natureza e os nêutrons produzidos, ao serem absorvidos por vários tipos de núcleos, podem originar núcleos radioativos. Aparentemente, esses dois problemas têm solução. A escassez de trítio pode ser resolvida porque o trítio pode ser produzido pelo bombardeamento de lítio pelos nêutrons liberados num reator de fissão, segundo a reação:
e o perigo dos nêutrons produzidos também pode ser resolvido porque os nêutrons podem ser absorvidos por lítio segundo a mesma reação e com a vantagem de se produzir mais trítio.
O obstáculo mais importante que impede o funcionamento satisfatório dos reatores de fusão é a incapacidade de se manter uma certa quantidade de plasma de deutério e trítio num estado de temperatura e pressão adequado para que ocorram as fusões durante o intervalo de tempo necessário para produzir uma quantidade de energia maior do que aquela consumida. No confinamento magnético, o plasma é comprimido adiabaticamente pelo rápido aumento da intensidade do campo magnético e, com isso, aumenta a sua temperatura até que aconteçam as fusões. No confinamento inercial, feixes muito intensos de raio laser aquecem e comprimem minúsculas cápsulas com um plasma de deutério e trítio até que ele atinja um estado de temperatura e pressão adequado para que ocorram as fusões
As temperaturas no interior do Sol e de outras estrelas são maiores do que 107 oC. Então, nesses ambientes ocorrem reações termonucleares. Ao lado estão representados os estágios do ciclo do carbono, que se supõe ser o processo que produz a maior parte da energia que o Sol continuamente irradia para o espaço. O carbono 12 consumido no estágio 1 reaparece como produto no estágio 6, ou seja, o ciclo do carbono não faz diminuir a quantidade de carbono 12 do interior do Sol. Por outro lado, o hidrogênio 1, ou seja, os prótons, consumidos nos estágios 1, 3, 4 e 6, nunca mais reaparece como produto. O produto final do ciclo é o hélio 4 e a reação efetiva que se desenvolve no ciclo do carbono é a seguinte:
A reação é de fusão de 4 núcleos de hidrogênio 1 (4 prótons) para resultar em um núcleo de hélio 4. A energia total gerada nessa reação é de cerca de 25 MeV. Com o passar do tempo, o conteúdo de hidrogênio do Sol diminui e cresce o conteúdo de hélio.
Fonte: www.ufsm.br
A teoria por trás da fusão nuclear é bastante simples, o difícil mesmo é conseguir gerar e domar tamanhas energias.
Nos reatores de fissão, os átomos de urânio são despedaçados, liberando grandes quantidades de energia - é a temível radioatividade. A fusão de hidrogênio, ou de suas variantes deutério e trítio,produz calor e pouquíssima radioatividade.
A fusão acontece quando dois núcleos de átomos leves se juntam para formar um terceiro mais pesado, mas cuja massa é menor do que a soma dos elementos originais. A diferença corresponde à energia liberada. No Sol, por exemplo, se fundem inimagináveis 564 milhões de toneladas de hidrogênio por segundo, dando origem a 560 milhões de toneladas de hélio, numa temperatura de 20 milhões de graus e sob uma pressão 100 bilhões de vezes maior do que a pressão atmosférica. Nessa colossal fornalha, os 4 milhões de toneladas de hidrogênio que não viraram hélio viraram energia - graças à qual o homem existe e tenta reproduzir o processo.
Para fazer isso, os cientistas pensaram construir uma espécie de forno com as mesmas características das estrelas. Normalmente, os núcleos dos átomos se repelem porque têm carga elétrica do mesmo sinal. Para que a fusão possa ocorrer, é preciso aproximar os núcleos a distâncias tão ínfimas, a tal ponto que as forças de atração superem as de repulsão. Descobriu-se que os candidatos naturais para esse casamento são os isótopos (ou variedades) de hidrogênio, como o deutério (com um próton e um nêutron no núcleo). Usando a força bruta, ou seja, aquecendo as partículas de matéria a milhões de graus e em altas densidades, os pesquisadores fazem com que tais isótopos se transformem numa mistura de elétrons livres e núcleos de átomos. É o plasma, nem líquido, nem sólido, nem gás: o quarto estado da matéria.
Nesse estado meio fantasmagórico, as partículas colidem umas com as outras em velocidades altíssimas até que, em razão dos choques, acabam por unir-se, produzindo núcleos mais pesados, algumas partículas soltas - e, o mais importante, grandes quantidades de energia. Assim, pode resultar da colisão hélio 3 (formado por dois prótons e um nêutron) mais um nêutron excedente; ou trítio ( um próton e dois nêutrons), mais um próton excedente. É raro, mas também pode acontecer que a fusão produza hélio 4 (dois prótons e dois nêutrons) e mais energia .
Em 1945, o físico húngaro naturalizado americano Edward Teller sugeriu que se usasse a bomba atômica recém-inventada como espoleta para desencadear a fusão nuclear, pois a força de sua explosão forneceria as temperaturas e pressões necessárias.
A idéia seria posta em prática alguns anos depois. No dia 1 de novembro de 1952, de fato, os americanos detonaram a primeira bomba de hidrogênio, a bomba H, numa ilha do oceano Pacífico. Provou-se assim que a fusão na Terra era possível, mas, para que ela tivesse outra finalidade que não acabar com a vida na Terra, teria de ser controlada.
No entanto, para a construção de qualquer reator que produzisse energia pela fusão de hidrogênio, as condições pareciam proibitivas: seria preciso investir inicialmente uma quantidade de energia seis vezes superior à temperatura do interior do Sol, para compensar a diferença de pressão. Em cada centímetro cúbico desse reator deveriam existir no mínimo 100 trilhões de partículas que, devido ao calor, estariam sob forte pressão. A energia contida nesse gás teria de se manter durante pelo menos um segundo. A única facilidade seria o combustível. Afinal, em cada metro cúbico de água do mar há 33 gramas de deutério, o primo pesado do hidrogênio. Mas qualquer material que entrasse em contato com o plasma, à temperatura de centenas de milhões de graus, acabaria derretido. Por isso se pensou usar como recipiente uma estranha gaiola magnética que impedisse o gás de se aproximar da parede metálica do reator.
Com as pesquisas chegaram a um aparelho formado por tubo metálico fechado na forma de uma câmara de pneu - ou toróide, em linguagem científica. À sua volta existe um enrolamento. Percorrido por uma corrente elétrica, nele surge um poderoso campo magnético que envolve o plasma como as cascas de uma cebola. Existe também outro campo magnético vertical para colocar o plasma mais corretamente. Nos aparelhos experimentais, como o que existe na Universidade de São Paulo, conseguiu-se temperaturas de até 5 milhões de graus. O recorde mundial de temperatura obtido até agora são os 200 milhões de graus do tokamak da Universidade de Princeton.
As experiências com fusão nuclear mais promissoras, além das que usam o confinamento magnético, são as que se baseiam no laser, cujo raio luminoso concentra num pequeno ponto grandes quantidades de energia. É algo extremamente sofisticado. As experiências realizadas no Laboratório Nacional Lawrence Livermore, da Califórnia, fazem parte das pesquisas ligadas ao criticado projeto Guerra nas Estrelas e são, por isso, secretas. Outros testes são feitos no Japão. Sabe-se que átomos de deutério e trítio solidificados são feitos no Japão. Sabe-se que átomos de deutério e trítio solidificados são aprisionados em incríveis esferas ocas de metal de milésimos de milímetro de diâmetro, confinadas numa câmara de vácuo. Em seguida, os átomos são submetidos a um fogo cruzado de 20 feixes de 100 trilhões de watts de laser durante 1 bilionésimo de segundo. Atingidas por todos os lados pelo bombardeio, as bolinhas se aquecem tanto que se comprimem até fundirem. Só que, como no caso dos tokamaks, não se conseguiu obter mais energia do que a aplicada no processo.
Outra tentativa original consiste em reduzir a temperatura em que a fusão ocorre, usando partículas atômicas chamadas múons, que se formam naturalmente pela ação dos raios cósmicos ou nos aceleradores de partículas dos laboratórios. Quando se bombardeia uma mistura de deutério e trítio com múons, eles tendem a substituir os elétrons em volta dos átomos. Mas, como são 207 vezes mais pesados, giram tão próximos do núcleo que fazem o átomo original literalmente encolher. Isso leva os núcleos a se aproximar tanto que podem se fundir. Então, os múons ficam novamente livres e o ciclo recomeça.
Por modestas que sejam as esperanças de chegar à fusão, estima-se que ainda vai demorar 30 anos para termos um reator comercial, e por mais caras que sejam as pesquisas, as vantagens da fusão são sedutoras:
Segundo todos os cálculos, as futuras usinas de fusão nuclear poderão extrair de 1 metro cúbico de água uma quantidade de energia igual à de 2 mil barris de petróleo.
Não produz radioatividade; portanto, sem o lixo atômico das usinas nucleares.
Não produz dióxido de carbono, como os combustíveis fósseis que envenenam o clima da Terra.
Não tem perigo de fugir do controle como as usinas de fusão, se algo der errado, simplesmente o reator para de funcionar.
Esse é o Iter (International Thermonuclear Experimental Reactor), reator considerado como protótipo dos reatores comerciais, ficará pronto no início do próximo século. Tem 30 metros de altura e de raio. A propósito, não sei se deu para ver, mas tem um homem no canto inferior direito da figura
Fonte: www.geocities.com
