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 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 a energia cinética das partículas emitidas.
A energia emitida é tão grande que é possível que a matéria entre no estado de plasma.
As reações de fusão nuclear podem emitir ou absorver energia. Se os núcleos que vão se fundir tiverem massa menor que a do ferro, há liberação de energia. Pelo contrário, se os núcleos atômicos que se fundem forem 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, estão actualmente a ser trabalhados vários projectos - como o projecto ITER no sul de França - com o objectivo de gerar energia limpa através da energia de fusão.
Exemplos de fusão nuclear: o Sol
Exemplos de fusão nuclear podem ser encontrados em diversas situações, tanto na natureza como em aplicações controladas pelo homem. Alguns exemplos são:
- Fusão no Sol: A principal fonte de energia do Sol é a fusão nuclear. Na sua essência, os núcleos de hidrogénio combinam-se para formar hélio, libertando uma imensa quantidade de energia sob a forma de luz e calor.
- Bomba de Hidrogênio: As bombas de hidrogênio, também conhecidas como bombas termonucleares, usam a 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 experimentais de fusão: Reatores experimentais de fusão, 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 alcançar a fusão.
Requisitos de uma reação de fusão
Para realizar reações de fusão nuclear, devem ser atendidos os seguintes requisitos:
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Alcançar uma temperatura muito elevada para separar os elétrons do núcleo e fazê-lo aproximar-se de outro, vencendo as forças de repulsão eletrostática. A massa gasosa composta por elétrons livres e átomos altamente ionizados é chamada de plasma.
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O confinamento é necessário para manter o plasma a uma temperatura elevada durante um mínimo de tempo.
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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 utilizados nos reatores de fissão nuclear não são possíveis devido às altas temperaturas do plasma que devem suportar. Por esta razão, dois importantes métodos de confinamento foram desenvolvidos:
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Fusão nuclear por confinamento inercial (ICF): Consiste em criar um meio tão denso que as partículas quase não têm chance de escapar sem colidir umas com as outras.
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Fusão nuclear por confinamento magnético (MCF): 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 denominado Tokamak.
Como funciona: reações de fusão
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 formado 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, a energia cinética necessária para unir os núcleos que vão se fundir deve ser fornecida aos núcleos, superando assim as forças de repulsão eletrostática. Para fazer isso, o gás precisa ser aquecido a temperaturas muito altas, como as que se supõe que ocorrem nos centros 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 do fato de a 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 para cada miligrama de deutério-trítio.
Combustível nuclear para fusão
Núcleos leves são necessários para reações de fusão nuclear. Basicamente são utilizados o Deutério e o Trítio, que são dois isótopos do hidrogênio (o elemento mais leve da tabela periódica).
1. Deutério
O deutério é um isótopo estável de hidrogênio formado por 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 existe uma concentração de 34 gramas de deutério por metro cúbico de água.
O conteúdo energético do deutério é tão elevado que a energia que pode ser obtida do deutério de um litro de água do mar é equivalente à energia que pode ser obtida a partir de 250 litros de petróleo.
Tendo em conta a abundância de deutério nos oceanos, esta fonte de energia pode ser considerada renovável.
2. Trítio
O outro elemento utilizado na fusão nuclear, o trítio, é o isótopo instável ou radioativo do átomo de hidrogênio. É composto de um próton e dois nêutrons e decai por emissão beta de forma relativamente rápida.
Embora o trítio seja escasso 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 (Reator Termonuclear Experimental Internacional), um protótipo baseado no conceito de reator Tokamak, e no qual se espera conseguir a ignição.
Dados os bons resultados obtidos no Joint European Torus (JET) , em 1990 decidiu-se continuar o programa de fusão com uma instalação maior na qual, além do reator, pudessem ser testados os seus sistemas auxiliares sem gerar ainda eletricidade. A União Europeia, o Canadá, os EUA, o Japão e a Rússia participam neste projeto.
O objectivo é determinar a viabilidade técnica e económica da fusão nuclear por confinamento magnético para gerar electricidade, como fase prévia à construção de uma instalação de demonstração comercial.
Não será produzida energia elétrica na máquina ITER, serão testadas soluções para os problemas que precisam ser resolvidos para viabilizar futuros reatores de fusão nuclear.