A fusão nuclear é uma reação nuclear na qual dois núcleos de átomos leves se unem para formar um núcleo mais pesado. Os átomos utilizados são isótopos de hidrogênio ( deutério e trítio). Durante a fusão de dois átomos, a composição da força nuclear dos núcleos é modificada e uma grande quantidade de energia é liberada ou absorvida na forma de raios gama e também como energia cinética das partículas emitidas.
A energia emitida é tão grande que é possível que a matéria entre em um estado de plasma.
As reações de fusão nuclear podem emitir ou absorver energia. Se os núcleos a serem fundidos têm menos massa que o ferro, a energia é liberada. Por outro lado, se os núcleos atômicos em fusão são mais pesados que o ferro, a reação nuclear absorve energia.
No momento, ainda não foi possível construir nenhum reator de fusão capaz de produzir energia elétrica. No entanto, vários projetos estão em andamento - como o projeto ITER no sul da França - com o objetivo de gerar energia limpa por meio de energia de fusão.
Exemplo de fusão nuclear: o Sol
A energia liberada pelo Sol chega à Terra na forma de radiação eletromagnética.
Dentro do Sol, a temperatura está próxima de 15 milhões de graus Celsius.
O que é necessário para obter uma reação de fusão nuclear?
Para realizar reações de fusão nuclear, os seguintes requisitos devem ser atendidos:
Alcançar uma temperatura muito alta para separar os elétrons do núcleo e aproximá-lo de outro, 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 a uma temperatura elevada por um período mínimo de tempo.
A densidade do plasma deve ser suficiente para que os núcleos fiquem próximos uns dos outros e possam 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 de plasma que devem suportar. Por esta razão, dois importantes métodos de confinamento foram desenvolvidos:
Fusão nuclear por confinamento inercial (FCI): Consiste em criar um meio tão denso que as partículas quase não têm chance de escapar sem colidir umas com as outras.
Fusão nuclear por confinamento magnético (FCM): As partículas eletricamente carregadas do plasma ficam presas em um espaço reduzido pela ação de um campo magnético. O dispositivo mais desenvolvido tem formato toroidal e é chamado de Tokamak.
Como funciona a fusão nuclear? reações de fusão nuclear
Os elementos atômicos normalmente utilizados nas 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, obtém-se um núcleo de hélio formado por dois nêutrons e dois prótons, liberando 1 nêutron e 17,6 MeV de energia.
D + D -> 3He + n + 3,2 MeV
Ao fundir dois núcleos de deutério, obtém-se um núcleo de hélio composto por um nêutron e dois prótons, liberando um nêutron e 3,2 MeV de energia.
D + D --> T + p + 4,03 MeV
Ao fundir 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 ser supridos com a energia cinética necessária para unir os núcleos a serem fundidos, superando assim as forças de repulsão eletrostática. Isso requer o aquecimento do gás a temperaturas muito altas, como aquelas que deveriam ocorrer no centro das estrelas.
El requisito de cualquier reactor de fusión nuclear es confinar dicho plasma con la temperatura y densidad lo bastante elevadas y durante el tiempo justo, a fin de permitir que ocurran suficientes reacciones de fusión nuclear, evitando que se escapen las partículas, para obtener una ganancia neta de energia.
Este ganho de energia depende da energia necessária para aquecer e confinar o plasma ser menor do que a energia liberada pelas reações de fusão nuclear. Em princípio, para cada miligrama de deutério-trítio, podem ser obtidos 335 MJ.
Qual é o combustível da fusão nuclear?
Para reações de fusão nuclear, são necessários núcleos leves. Basicamente são usados deutério e trítio, que são dois isótopos de hidrogênio (o elemento mais leve da tabela periódica).
1. Deutério
O deutério é um isótopo estável de hidrogênio composto de um próton e um nêutron. Sua abundância na água é de um átomo para cada 6.500 átomos de hidrogênio. Isso significa que na água do mar há 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 óleo.
Tendo em conta a abundância de deutério nos oceanos, esta fonte de energia pode ser considerada renovável.
2. Trítio
O outro elemento usado na fusão nuclear, o trítio, é o isótopo instável ou radioativo do átomo de hidrogênio. É composto por um próton e dois nêutrons e decai por emissão beta de forma relativamente rápida.
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 de fusão nuclear
O projeto mais avançado em fusão nuclear por confinamento magnético é o ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), um protótipo baseado no conceito de reator Tokamak, e no qual se espera conseguir a ignição.
Diante dos bons resultados obtidos no Joint European Torus (JET) , em 1990 decidiu-se continuar o programa de fusão com uma instalação maior em que, além do reator, seus sistemas auxiliares pudessem ser testados sem ainda gerar eletricidade. A União Europeia, Canadá, EUA, Japão e Rússia participam 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 comercial de demonstração.
Na máquina ITER não será produzida energia elétrica, serão testadas soluções para os problemas que precisam ser resolvidos para viabilizar futuros reatores de fusão nuclear.
