Fusão nuclear é o processo no qual dois ou maisnúcleos atômicos se juntam e formam um outro núcleo de maiornúmero atômico. A fusão nuclear requer muitaenergia para acontecer, e geralmente libera muito mais energia do que a que consome. Quando ocorre comelementos mais leves que oferro e oníquel (que possuem as maiores forças de coesão nuclear de todos os átomos, sendo portanto mais estáveis) ela geralmente libera energia, e com elementos mais pesados ela consome. Até hoje, início doséculo XXI, ainda não foi encontrada uma forma de controlar comercialmente a fusão nuclear, como acontece com afissão, embora existam laboratórios de pesquisa que utilizam reatores de fusão nuclear em pesquisas científicas. Um projeto que caminha para a demonstração da viabilidade comercial do uso da fusão nuclear controlada é oITER.
O principal tipo de fusão que ocorre no interior dasestrelas é o dehidrogênio emhélio, onde quatroprótons se fundem em umapartícula alfa (um núcleo de hélio), liberando doispósitrons, doisneutrinos e energia. Mas, dentro desse processo, ocorrem várias reações individuais, que variam de acordo com amassa da estrela. Para estrelas do tamanho doSol ou menores, acadeia próton-próton é a reação dominante. Em estrelas de massa elevada predomina ociclo CNO.
Vale ressaltar que háconservação da energia, e, portanto, pode-se calcular a massa dos quatro prótons e do núcleo de hélio, e subtrair a soma das massas das partículas iniciais daquela do produto destareação nuclear para calcular a energia produzida.
Utilizando aequaçãoE=mc², pode-se calcular a energia liberada, oriunda da diferença de massas. Uma vez que o valor dec é muito grande (cerca de 3×108 m/s), mesmo uma massa muito pequena corresponde a uma enorme quantidade de energia. Este fato levou muitosengenheiros ecientistas a iniciar projetos para o desenvolvimento de reatores de fusão (Tokamaks) de modo a gerareletricidade (por exemplo, a fusão de poucos cm³ dedeutério, umisótopo de hidrogênio, produziria uma energia equivalente àquela produzida pela queima de 20toneladas decarvão).
Uma substancial barreira de energia deve ser vencida antes que a fusão possa ocorrer. A grandes distâncias, dois núcleos expostos se repelem mutuamente devido àforça eletrostática que atua entre seus prótonspositivamente carregados. Se os núcleos puderem ser aproximados suficientemente, porém, a barreiraeletrostática pode ser sobrepujada pelaforça nuclear forte a qual é mais poderosa a curta distância do que arepulsão eletromagnética.
Três fases da reação de fusão nuclear:
1: odeutério e otrítio são acelerados até uma velocidade que permita o início da reação.
2: é criado um núcleo instável deHe5. 3: a ejeção de umnêutron e a expulsão de um núcleo de He4.
Quando uma partícula tal como opróton ounêutron é adicionado a um núcleo, ele é atraído pelos outrosnúcleons, mas principalmente por seus vizinhos imediatos devido à força de curto alcance. Os núcleons no interior do núcleo têm mais vizinhos do que aqueles na sua superfície. Desde que núcleos menores têm uma grande razão de superfície para volume, aenergia de ligação por núcleon devido à força nuclear forte geralmente aumenta como o aumento do tamanho do núcleo, mas atinge um valor limite que corresponde à vizinhança do núcleon totalmente preenchida.
A força eletrostática, por outro lado, é uma força proporcional ao inverso do quadrado da distância; então, um próton adicionado ao núcleo ira sentir uma repulsão eletrostática de todos os prótons no núcleo. A energia eletrostática por núcleon devido à força eletrostática irá portanto aumentar independentemente do tamanho do núcleo.
O resultado combinado destas duas forças opostas é que a energia de ligação por núcleon geralmente aumenta com o aumento de tamanho do átomo, para elementos até com núcleo do tamanho deferro eníquel, e diminui para núcleos mais pesados. Eventualmente, a energia de ligação se torna negativa e núcleos muitos pesados não são estáveis. Os quatro núcleos blindados mais compactos, em ordem decrescente de energia de ligação, são62Ni,58Fe,56Fe e60Ni[1]. Embora oisótopo do Níquel62Ni seja o mais estável, o isótopo do Ferro56Fe é uma ordem de magnitude mais comum. Isto é devido em grande parte à grande razão de desintegração do62Ni no interior de estrelas conduzida pela absorção defótons.
Fusão aneutrônica delítio-6 + deutério. Reação na qual a energia liberada é transportada porpartículas alfa e não por nêutrons sendo, portanto, livre de radiações nocivas.[1]
Uma notável exceção a esta regra geral é o núcleo dohélio-4, cuja energia de ligação é maior que a dolítio, o próximo elemento mais pesado. Oprincípio de exclusão de Pauli provê uma explicação para este comportamento excepcional – isto se dá porque os prótons e nêutrons sãoférmions, eles não podem coexistir exatamente no mesmo estado. Cada estado energético de um próton ou nêutron em um núcleo pode acomodar uma partícula despin para abaixo e outra de spin para acima. O Hélio-4 tem uma banda de energia de ligação anormalmente grande porque seu núcleo consiste de dois prótons e dois nêutrons; então todos os núcleons dele podem estar em umestado fundamental. Qualquer núcleon adicional deverá ir para um estado energético alto.
A situação é similar se dois núcleos são colocados juntos. Ao se aproximarem, todos os prótons em um núcleo repelem todos os prótons do outro, até o ponto em que os dois núcleos entrem em contato para que a força nuclear forte domine. Consequentemente, mesmo quando o estado de energia final é mais baixo, há uma grande barreira energética que deve ser ultrapassada primeiro. Na química, este fato é conhecido comoenergia de ativação. Emfísica nuclear ele é chamado debarreira de Coulomb.
A barreira de Coulomb é menor para os isótopos do hidrogênio – eles contêm uma única carga positiva em seus núcleos. Um bipróton não é estável, então os nêutrons devem ser envolvidos, de forma a produzir um núcleo de hélio.
Usando combustíveldeutério-trítio, a barreira de energia resultante é de cerca de 0,1MeV. Em comparação, a energia necessária para remover umelétron do hidrogênio é 13,6 eV, cerca 7 500 vezes menos energia. O resultado (intermediário) da fusão é um núcleo instável de5He, o qual imediatamente ejeta um nêutron com 14,1 MeV. A energia recuperada do núcleo de4He remanescente é 3,5 MeV, então a energia total liberada é 17,6 MeV. Isto é muitas vezes mais que a barreira de energia a ser transposta.
Se a energia para iniciar a reação vem daaceleração de um núcleo, o processo é chamado de fusão porprojétil-alvo; se ambos os núcleos são acelerados, isto é fusãoprojétil|projétil. Se o núcleo faz parte de umplasma próximo ao equilíbrio térmico, denominamos fusão termonuclear. A temperatura é uma medida daenergia cinética média das partículas, então por aquecimento o núcleo deverá ganhar energia e eventualmente transpor a barreira de 0,1 MeV. A conversão das unidades entres elétron-volts ekelvins mostra que esta barreira será transposta quando a temperatura ultrapassar 1 GK, obviamente uma temperatura muito alta.
Há dois fatos que podem diminuir a temperatura necessária. Um é o fato que atemperatura é uma média da energia cinética, implicando que alguns núcleos a esta temperatura poderão já ter uma energia maior que 0,1 MeV, enquanto outros um pouco menos. Estes núcleos na faixa de alta-energia da distribuição de velocidade participam da maioria das reações de fusão. O outro efeito é otunelamento quântico. O núcleo não precisa sempre ter bastante energia, podendo atravessar, porefeito túnel, a barreira restante. Por esta razão, combustíveis a temperaturas menores podem experimentar eventos de fusão, a uma taxa mais baixa.
A fusão de reação de deutério-trítio aumenta sua taxa rapidamente com a temperatura até ela se maximizar a 70 keV. (800 milhões kelvins) e então gradualmente descende.
Aseção de choque da reação (σ), é uma medida da probabilidade da reação de fusão como função da velocidade relativa dos dois núcleos reagentes. Se os núcleos têm uma distribuição de velocidade, por exemplo, uma distribuição térmica, então é vantajoso fazer uma média sobre as distribuições do produto da seção de choque e da velocidade. A taxa de reação (fusões por volume por tempo) é <σv> vezes o produto dadensidade numérica dos participantes:
Se um tipo de núcleo está reagindo com si próprio, tal como a reação DD, então o produto pode ser substituído por.
aumenta de praticamente zero emtemperatura ambiente, até valores significativos em temperaturas da ordem de 10 - 100 keV. A estas temperaturas, bem acima daenergia de ionização típica (13,6eV no caso do hidrogênio), os núcleos reagentes da fusão existem em um estado deplasma.
O significado de como função da temperatura, em um dispositivo com um determinado tempo de confinamento da energia, é determinado pela utilização docritério de Lawson.
O Sol esta em constante processo de fusão de núcleos
O mecanismo de fusão é quase o inverso do mecanismo defissão nuclear: núcleos leves e rápidos podem colidir, e fundir para formar núcleos mais pesados, sendo que há também uma quantidade considerável de energia liberada nesse processo. Essa energia está associada à dissipação de calor, depende diretamente das massas dos parceiros envolvidos na reação e tem suas propriedades relacionadas com amatéria nuclear, isto é, para que ocorra a fusão, alguns requisitos devem ser satisfeitos pelos parceiros envolvidos no processo:
1) a energia cinética dos núcleos da reação deve ser grande para possibilitar o aumento da probabilidade de penetração nabarreira coulombiana; esse processo ocorre em núcleos muito leves, a uma temperatura da ordem de 107K, estando, então, os átomos completamente ionizados, prefigurando um estado de plasma.[2]
2) a densidade de matéria presente nas temperaturas envolvidas na reação de fusão deve ser extremamente alta.
O interior dasestrelas, em especial osol, dispõe de todo cenário propício a esse tipo de reação, a densidade do interior do sol é de cerca de 1 000 g/cm3 a uma temperatura de 1,5 x 107K. A Figura representa a reação de fusão dehidrogênio emhélio, que ocorre no interior das estrelas e que esteve presente no início da formação do universo, na nucleossíntese primordial
Conforme a temperatura, núcleos mais pesados podem ser formados.
Esquema de reação de fusão nuclear em que dois prótons se fundem para gerar odêuteron.
As principais vantagens em relação aos atuais reatores de fissão são:
Combustível de fácil obtenção e em grande quantidade, odeutério pode ser obtido da água do mar e trítio obtido no próprio reator de fusão a partir dolítio, ourânio utilizado na fissão é muito raro e de difícil extração;
A fusão é um processo mais seguro que a fissão, uma vez que a quantidade de combustível empregado é menor, sem liberação descontrolada de energia e as taxas de radiação emitidas são inferiores à taxa de radiação natural que incide na superfície terrestre;
Menor produção delixo nuclear comparado à fissão, além do que o lixo proveniente da fusão não é matéria prima para fabricação de armas nucleares, como no caso da fissão. Atualmente, aNASA tem investido em pesquisas na construção de reatores nucleares de fusão para gerar energia para foguetes espaciais. Propulsores a fusão seriam mais eficientes e tornariam os foguetes mais velozes, além de propiciar viagens mais longas, uma vez que o combustível (hidrogênio) seria gerado de forma ilimitada no processo.[2]
Em primeiro lugar, recordemos que a colisão de dois núcleos dedeutério gera um núcleo deHélio mais umnêutron e libera uma energia de 5,12 x 10−13Joules (3,2 Mev). Se esta energia fosse transferida para um grama deágua, na forma decalor, a temperatura da água aumentaria de apenas 1,26 x 10−13 °C. Portanto, para se ter um aumento significativo de temperatura da água, gerar vapor e movimentar as turbinas de uma Usina de Energia, necessitamos de um número muito grande de reações de Fusão.[3]
Resta então a questão: Como obter este grande número de reações? A resposta óbvia é: coloque o maior número possível de núcleos de deutério em condições de reação. Muito fácil de responder, mas anos e anos de pesquisa emfísica deplasma demonstram que é muito difícil fazê-lo.
Para entender as dificuldades vamos tomar, apenas por hipótese, uma certa quantidade de átomos de deutério em estado sólido. Obviamente, um grama de deutério tem um número muito grande de átomos que, se reagissem, forneceriam muita energia. No entanto, os átomos de deutério em estado sólido estão praticamente parados e não têm energia cinética suficiente para vencer a repulsão coulombiana. Portanto, não estão em condições de realizar uma reação de fusão.
Para vencer a repulsão coulombiana deve-se aumentar a energia cinética dos átomos dedeutério, o que pode ser feito aquecendo-se o sólido. Ao aumentarmos atemperatura, osólido sofre uma transição de fase transformando-se primeiramente num líquido e depois num gás. Numgás, uma percentagem grande das partículas tem uma energia cinética próxima da energia cinética média que é proporcional à temperatura:
(ondek é aconstante de Boltzmann e T é a temperatura medida em kelvin). Assim, para vencer a repulsão coulombiana, o nosso gás de deutério deve estar a uma temperatura de aproximadamente 116 000 000 grausCelsius. (Isto corresponde a uma energia cinética média de 10 keV.)
Esta temperatura elevada traz consigo algumas perguntas. Como aquecer um gás a esta temperatura? Como confinar um gás tão quente? Será que a matéria não se modifica a temperaturas tão altas? As duas primeiras perguntas parecem ter uma natureza tecnológica, no entanto, a sua solução só poderá ser obtida se soubermos mais sobre a terceira indagação cuja natureza científica é evidente. Um primeiro aspecto a ser considerado é que, após uma certa temperatura, um gás usualmente constituído deátomos emoléculas sofre transformações, pois os elétrons são arrancados dos átomos e as moléculas se quebram devido à violência dos choques. Em temperaturas da ordem de 20 000 a 30 000 °C não haverá mais átomos e moléculas, mas apenas íons e elétrons viajando e se chocando em velocidades fantásticas.[3]
Estes íons e elétrons não mais se comportarão como um gás, visto que, além das colisões, sentirão os efeitos docampo elétrico e magnético devido às suascargas ecorrentes. Isto caracteriza um novo estado da matéria denominado plasma pelos físicos americanos Langmuir e Tonx em 1923.
Portanto, em busca das condições adequadas de confinamento e temperatura para ocorrência de fusões nucleares, nos deparamos naturalmente com este novo estado da matéria que é o plasma. Um estudo das características do plasma vai nos permitir inclusive entender como é possível manter uma certa quantidade de substância confinada a temperaturas tão altas.
Características fundamentais do plasma e suas implicações
Um plasma se caracteriza por ser um gás altamente ionizado, quase neutro e não se encontrar em equilíbrio térmico. A primeira característica (alta ionização) já foi discutida. A quase neutralidade se refere ao fato de que, embora a carga total num plasma (cargas positivas dos íons mais cargas negativas dos elétrons) seja praticamente nula, existem regiões onde se pode ter acúmulos significativos de cargas formando zonas não neutras.
As regiões onde isso ocorre têm dimensões pequenas em comparação com as dimensões totais do plasma. O acúmulo decargas (positivas ou negativas) vai afetar as colisões entre osíons eelétrons, pois cria pontos de atração e/ou repulsão e estabelece campos de força. Deste modo, o movimento de uma partícula se modificará apenas por choques com contato direto, mas poderão ainda sentir os efeitos da presença departículas distantes através dos campos deforça.
A quase-neutralidade pode ainda gerar movimentos coerentes de um grande número de partículas. Estes movimentos, denominados movimentos coletivos, ocorrem, por exemplo, quando um número grande de íons (cargas positivas) se separa de um número grande deelétrons. Nesta situação, surgem forças atrativas que tendem a restaurar a neutralidade, isto é, aproximam as cargas opostas. Isto causa um movimento oscilatório no qual as cargas opostas se aproximam e se afastam. A aplicação de campos externos pode também gerar movimentos coletivos tais como correntes ou mesmo ondas. Portanto, um plasma difere muito de umgás, pois neste último as partículas só sentem a presença das outras quando sofrem umacolisão. Num plasma as interações de longo alcance geradas pelos campos fazem com que os movimentos de partículas distantes sejam correlacionados. Existem dentro de um plasma dois processos competitivos: de um lado os movimentos coletivos e do outro as colisões.
As colisões tendem a destruir a coerência, isto é, a natureza ordenada dos movimentos coletivos, pois espalham as partículas erraticamente. Num projeto de fusão nuclear em plasma se pretende obter uma solução de compromisso entre os dois processos. Isto é, pretende-se utilizar a coerência dos movimentos coletivos para propiciar um número grande de colisões que gerem fusão. Como os dois processos são antagônicos esta solução de compromisso não é fácil.
