Para obter uma reação de fusão nuclear, os átomos envolvidos devem superar uma importante barreira de forças eletrostáticas. Devido a forças eletrostáticas, dois núcleos sem elétrons se repelem. Essa repulsão é causada por prótons com carga positiva. No entanto, se dois núcleos podem se aproximar o suficiente, a repulsão eletrostática pode ser superada pelo efeito quântico no qual os núcleos podem passar por um túnel através das forças de coulomb.
Quando um núcleo, como um próton ou nêutron, é adicionado a um núcleo, a força nuclear o atrai para todos os outros núcleos do núcleo (se o átomo for pequeno o suficiente), mas principalmente para seus vizinhos imediatos devido à curta faixa de força. Núcleos dentro de um núcleo têm mais núcleons vizinhos do que aqueles na superfície.
Núcleos menores têm uma maior relação superfície / volume. Por esse motivo, a energia de ligação por núcleo, devido à força nuclear, geralmente aumenta com o tamanho do núcleo, mas aproxima-se de um valor limite correspondente ao de um núcleo com um diâmetro de aproximadamente quatro núcleos.
Força eletrostática
A força eletrostática, por outro lado, é uma força quadrada inversa; portanto, um próton adicionado ao núcleo sentirá uma repulsão eletrostática de todos os outros prótons no núcleo. A energia eletrostática por núcleo, devido à força eletrostática, aumenta sem limite à medida que o número atômico do núcleo cresce.
O resultado líquido das forças eletrostáticas e fortes forças nucleares opostas é que a energia de ligação por núcleo aumenta geralmente com o aumento do tamanho e depois diminui para os núcleos mais pesados. Finalmente, a energia de ligação se torna negativa e núcleos muito pesados não são estáveis.
Uma exceção a essa tendência geral é o núcleo de hélio-4. A energia de ligação do hélio-4 é maior que a do lítio, o próximo elemento mais pesado. Isso ocorre porque prótons e nêutrons são férmions. Os férmions, de acordo com o princípio de exclusão de Pauli, não podem existir no mesmo núcleo exatamente no mesmo estado. O estado de energia de cada próton ou nêutron em um núcleo pode acomodar tanto uma partícula rotativa quanto uma partícula rotativa.
O hélio-4 possui uma energia de ligação anormalmente grande porque seu núcleo consiste em dois prótons e dois nêutrons, de modo que seus quatro núcleons podem estar no estado fundamental. Qualquer núcleo adicional teria que entrar em estados de energia mais alta. De fato, o núcleo do hélio-4 está tão fortemente ligado que é comumente tratado como uma partícula mecânica quântica na física nuclear, a partícula alfa.
A situação é semelhante se dois núcleos forem unidos. À medida que se aproximam, todos os prótons em um núcleo repelem todos os prótons no outro. Somente quando os dois núcleos se aproximam o suficiente para que a força nuclear forte possa assumir o controle (por meio de um túnel) é que a força eletrostática repulsiva é excedida. Consequentemente, mesmo quando o estado final de energia é menor, existe uma grande barreira de energia que deve ser superada primeiro. É chamada de barreira de Coulomb.
A barreira de Coulomb é a menor para isótopos de hidrogênio, uma vez que seus núcleos contêm uma única carga positiva. Como o dipróton não é estável, também é necessário que os nêutrons estejam envolvidos, idealmente, para que um núcleo de hélio, com sua junção extremamente apertada, seja um dos produtos.
A seção transversal da reação (σ) é uma medida da probabilidade de uma reação de fusão em função da velocidade relativa dos dois núcleos reativos. Se os reagentes tiverem uma distribuição de velocidade, por exemplo, uma distribuição térmica, será útil calcular a média das distribuições e velocidade da seção transversal do produto. Essa média é chamada 'reatividade', denotada σv. A taxa de reação (fusões por volume e tempo) é σv vezes o produto da densidade do número de reagentes.
Deutério Trítio Combustível
O deutério é um dos dois isótopos estáveis do hidrogênio. O núcleo de um átomo de deutério, chamado deuteron, contém um próton e um nêutron, enquanto o próton muito mais comum não possui nêutrons no núcleo.
O trítio é um isótopo raro e radioativo de hidrogênio. O núcleo do trítio contém um próton e dois nêutrons, enquanto o núcleo comum do isótopo hidrogênio-1 contém apenas um próton, e o núcleo do hidrogênio-2 (deutério) contém um próton e um nêutron.
Usando combustível deutério-trítio, a barreira de energia resultante é de aproximadamente 0,1 MeV. Em comparação, a energia necessária para remover um elétron do hidrogênio é 13,6 eV, aproximadamente 7500 vezes menos energia. O resultado (intermediário) da fusão é um núcleo instável de 5 He, que expele imediatamente um nêutron com 14,1 MeV. A energia de recuo do núcleo restante de 4 He é de 3,5 MeV, então a energia total liberada é de 17,6 MeV. Isso é muitas vezes mais do que o necessário para superar a barreira energética.
A taxa de reação de fusão aumenta rapidamente com a temperatura até que seja maximizada e depois diminui gradualmente. A taxa de TD atinge o pico a uma temperatura mais baixa (aproximadamente 70 keV ou 800 milhões de kelvin) e a um valor mais alto do que outras reações comumente consideradas para a energia de fusão.
