A fusão nuclear é uma reação nuclear na qual dois núcleos de átomos leves se unem para formar outro núcleo mais pesado. Os átomos utilizados são isótopos de hidrogênio (deutério e trítio). Durante a fusão, as forças de repulsão eletrostática entre os núcleos são superadas, e a energia é liberada à medida que um núcleo mais estável é formado, o que está relacionado às fortes forças nucleares que os mantêm unidos.
A energia emitida é tão grande que é possível que a matéria entre em estado de plasma.
As reações de fusão nuclear podem emitir ou absorver energia. Se os núcleos a serem fundidos tiverem menos massa que o ferro, a energia será liberada. Pelo contrário, se os núcleos atômicos que se fundem forem mais pesados que o ferro, a reação nuclear absorve energia. Este princípio deriva da curva de ligação nuclear. A energia é liberada se o produto da reação for mais estável (maior energia de ligação por núcleon), e isso ocorre em núcleos mais leves que o ferro.
Até o momento, ainda não foi construído um reator de fusão capaz de produzir energia elétrica líquida de forma contínua e econômica. Todos os projetos atuais, como o ITER, são experimentais. No entanto, vários projetos — como o projeto ITER no sul da França — estão em andamento com o objetivo de gerar energia limpa por meio da fusão.
Exemplos de fusão nuclear: o Sol
Exemplos de fusão nuclear podem ser encontrados em diversas situações, tanto na natureza quanto em aplicações controladas pelo homem. Alguns exemplos são:
- Fusão no Sol: A principal fonte de energia do Sol é a fusão nuclear. Em seu núcleo, núcleos de hidrogênio se combinam para formar hélio, liberando uma imensa quantidade de energia na forma de luz e calor.
- Bomba de hidrogênio: Bombas de hidrogênio, também conhecidas como bombas termonucleares, usam fusão nuclear para gerar explosões extremamente poderosas. Nessas bombas, a fusão de núcleos de hidrogênio para formar hélio e outros elementos pesados libera energia explosiva.
- Reatores de fusão experimentais: Reatores de fusão experimentais, como o Tokamak e o Stellarator, foram construídos para pesquisar e desenvolver a fusão nuclear controlada como fonte de energia. Esses dispositivos criam condições semelhantes às do núcleo do Sol para atingir a fusão.
Requisitos de uma reação de fusão
Para realizar reações de fusão nuclear, os seguintes requisitos devem ser atendidos:
- Atingir uma temperatura muito alta para separar os elétrons do núcleo e aproximá-los de outro núcleo, superando as forças de repulsão eletrostática. A massa gasosa composta de elétrons livres e átomos altamente ionizados é chamada de plasma.
- O confinamento é necessário para manter o plasma em alta temperatura pelo menor período de tempo possível.
- A densidade do plasma deve ser suficiente para que os núcleos fiquem próximos uns dos outros e sejam capazes de gerar reações de fusão nuclear.
Confinamento para fusão nuclear
Os confinamentos convencionais usados em reatores de fissão nuclear não são possíveis devido às altas temperaturas do plasma que eles devem suportar. Por esta razão, foram desenvolvidos dois importantes métodos de confinamento:
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Fusão por confinamento inercial (ICF): envolve a criação de um meio tão denso que as partículas quase não têm chance de escapar sem colidir umas com as outras.
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Fusão por confinamento magnético (MCF): partículas de plasma eletricamente carregadas ficam presas em um espaço confinado pela ação de um campo magnético. O dispositivo mais desenvolvido tem formato toroidal e é chamado de Tokamak.
Operação: Reações de fusão
Os elementos atômicos normalmente utilizados em reações de fusão nuclear são o Hidrogênio e seus isótopos: Deutério (D) e Trítio (T). As reações de fusão mais importantes são:
D + T -> 4He + n + 17,6 MeV
Ao fundir um núcleo de deutério com um núcleo de trítio, um núcleo de hélio-4 (com 2 prótons e 2 nêutrons) é formado e um nêutron livre é liberado junto com 17,6 MeV de energia.
D + D -> 3He + n + 3,2 MeV
Ao fundir dois núcleos de Deutério, obtém-se um núcleo de Hélio, constituído por um nêutron e dois prótons, liberando um nêutron e 3,2 MeV de energia.
D + D --> T + p + 4,03 MeV
Da fusão de dois núcleos de Deutério, obtém-se um núcleo de Trítio, um próton e 4,03 MeV de energia.
Para que essas reações ocorram, os núcleos devem receber a energia cinética necessária para aproximar os núcleos a serem fundidos, superando assim as forças de repulsão eletrostática. Isso requer o aquecimento do gás a temperaturas muito altas, como as que ocorrem no centro das estrelas.
O requisito para qualquer reator de fusão nuclear é confinar esse plasma a uma temperatura e densidade altas o suficiente pelo tempo certo para permitir que reações de fusão nuclear suficientes ocorram, ao mesmo tempo em que evita que partículas escapem, para atingir um ganho líquido de energia.
Esse ganho de energia depende da energia necessária para aquecer e confinar o plasma ser menor que a energia liberada pelas reações de fusão nuclear. Em princípio, 335 MJ podem ser obtidos de cada miligrama de deutério-trítio. No entanto, é importante ressaltar que a eficiência real do sistema será menor e que nem toda essa energia poderá ser recuperada de forma útil.
Combustível nuclear para fusão
Núcleos leves são necessários para reações de fusão nuclear. Basicamente são utilizados deutério e trítio, que são dois isótopos do hidrogênio (o elemento mais leve da tabela periódica).
1. Deutério
Deutério é um isótopo estável de hidrogênio composto por um próton e um nêutron. Sua abundância na água é de um átomo para cada 6.500 átomos de hidrogênio. Isso significa que a água do mar tem uma concentração de 34 gramas de deutério por metro cúbico de água.
O conteúdo energético do deutério é tão alto que a energia que pode ser obtida do deutério em um litro de água do mar é equivalente à energia que pode ser obtida de 250 litros de petróleo.
Considerando a abundância de deutério nos oceanos, essa fonte de energia pode ser considerada praticamente inesgotável e sustentável.
2. Trítio
O outro elemento usado na fusão nuclear, o trítio, é o isótopo instável ou radioativo do átomo de hidrogênio. Ele é composto de um próton e dois nêutrons e decai por emissão beta relativamente rápido.
Embora o trítio seja raro na natureza, ele pode ser gerado por reações de captura de nêutrons com isótopos de lítio. O lítio é um material abundante na crosta terrestre e na água do mar.
Projeto de pesquisa sobre fusão nuclear
O projeto mais avançado em fusão nuclear usando confinamento magnético é o ITER (Reator Termonuclear Experimental Internacional), um protótipo baseado no conceito do reator Tokamak, que deverá atingir a ignição.
Diante dos resultados positivos obtidos com o Joint European Torus (JET) , decidiu-se em 1990 continuar o programa de fusão com uma instalação maior onde, além do reator, pudessem ser testados seus sistemas auxiliares sem ainda gerar eletricidade. A União Europeia, o Canadá, os Estados Unidos, o Japão e a Rússia estão participando deste projeto.
O objetivo é determinar a viabilidade técnica e econômica da fusão nuclear por confinamento magnético para geração de eletricidade, como fase preliminar à construção de uma instalação de demonstração comercial.
A máquina ITER não produzirá energia elétrica; em vez disso, ele testará soluções para problemas que precisam ser resolvidos para tornar futuros reatores de fusão nuclear viáveis.