O que é fusão nuclear?

Como funciona

A Fusão Nuclear é o processo de unir dois núcleos atômicos leves em um único núcleo mais pesado, liberando uma enorme quantidade de energia. As reações energizam o Sol, além de todas as demais estrelas do universo.

Condições para reação

As reações de Fusão Nuclear ocorrem em um estado específico, denominado Plasma. O núcleo do Sol, composto majoritariamente por átomos de hidrogênio, possui altas temperaturas de cerca de 15 milhões de °C e pressão 340 bilhões de vezes maior que a pressão atmosférica da Terra a nível do mar. Essas condições permitem a formação de um Plasma: o quarto estado da matéria, um gás quente e ionizado, composto por partículas positivas e negativas (elétrons), com densidade cerca de um milhão de vezes menor que a do ar.

Diante das temperaturas extremas, as partículas de hidrogênio presentes no núcleo solar agitam-se intensamente e atingem alto grau de agitação e alta velocidade, o que faz com que colidam entre si. Devido a essas condições extremas, essas partículas recebem energia suficiente para se aproximarem, superarem sua repulsão elétrica (barreira de Coulomb) e, finalmente, fundirem. Para aumentar as taxas de sucesso dessas colisões, o processo deve ocorrer em um espaço pequeno e confinado, o que é concebido pela força gravitacional da estrela.

Para exemplificar este processo, usaremos a fusão entre Deutério e Trítio, dois isótopos do Hidrogênio.

Da reação entre Deutério e Trítio, é liberado um átomo de Hélio e um nêutron. Isso decorre do fato de o Deutério ser composto por 1 nêutron e o Trítio por 2 nêutrons, o que resultaria em um novo núcleo de 2 prótons e 3 nêutrons. No entanto, essa proporção 2:3 é instável. Assim, o nêutron "a mais" é liberado e é formado um átomo estável de Hélio-4 (2 prótons e 2 nêutrons).

De onde vem a energia?

Como dizia Lavoisier, "Na Natureza, nada se cria, nada se perde, tudo se transforma" — e o mesmo vale para a fusão. Em uma reação de fusão, o núcleo mais pesado que se forma tem massa ligeiramente menor do que a soma das massas dos dois núcleos originais. A essa diferença de massa damos o nome de defeito de massa.

Δm = defeito de massa; Z = número de prótons; m_p = massa do próton; N = número de nêutrons; m_n = massa do nêutron; M_nuc = massa do núcleo atômico formado. A diferença entre a soma das massas individuais e a massa real do núcleo corresponde à energia liberada na reação.

Essa quantidade de massa que "desaparece" se converte em energia, seguindo a fórmula de Einstein E = mc².

ΔE = variação de energia liberada; Δm = defeito de massa; c = velocidade da luz no vácuo (≈ 3 × 10⁸ m/s). Uma pequena perda de massa se converte em uma quantidade enorme de energia devido ao valor elevado de c².

Como c é um número gigantesco (aproximadamente 3 × 10⁸ m/s), uma pequena quantidade de massa se converte em uma quantidade massiva de energia. A energia gerada recebe o nome de Energia de Ligação — a quantidade de energia liberada ao se formar (ou romper) um novo núcleo a partir de suas partículas subatômicas (prótons e nêutrons).

Defeito de massa na reação D-T

Massas dos reagentes: Deutério (²₁H = 2,014 101 u) e Trítio (³₁H = 3,016 049 u), totalizando 5,030 150 u. Massas dos produtos: Hélio-4 (⁴₂He = 4,002 602 u) e nêutron (¹₀n = 1,008 664 u), totalizando 5,011 266 u. O defeito de massa Δm = 0,018 884 u é convertido em 17,6 MeV de energia via E = mc².

De uma única reação entre um átomo de Deutério e um átomo de Trítio, obtêm-se 17,6 MeV — para entender o que este número significa, veja a seção "Mas, quanto de energia a Fusão realmente geraria?" abaixo.

A Energia de Ligação liberada na reação de Fusão Nuclear se manifesta na forma de Energia Cinética. No caso da reação D-T, os 17,6 MeV são distribuídos da seguinte maneira: 3,5 MeV vão para a partícula alfa (o átomo de Hélio) e 14,1 MeV vão para o nêutron.

A reação Deutério-Trítio (D-T)

A reação D-T não foi escolhida ao acaso. Atualmente, a fusão entre Deutério e Trítio é a mais amplamente estudada por pesquisadores. Entre todas as reações de fusão possíveis, ela apresenta a maior seção de choque — ou seja, a maior probabilidade de ocorrer — e também o maior valor-Q, que representa a quantidade de energia liberada por reação.

Diferentemente do Sol, cuja força gravitacional naturalmente fornece as condições necessárias para que a fusão ocorra, a Terra possui constante gravitacional de aproximadamente 9,8 m/s², cerca de 28 vezes menor que a da estrela (~274 m/s²). Assim, para compensar esse fator, na Terra precisamos trabalhar com elevadas temperaturas para fornecer as condições de fusão.

O combustível D-T alcança suas condições de fusão em temperaturas muito menores em relação a outros elementos, ao mesmo tempo que libera mais energia que outras reações de fusão. A reação Deutério-Trítio requer temperatura mínima de cerca de 100 milhões de °C, ao passo que outros reagentes requerem temperaturas mínimas de 300 milhões de °C.

Além disso, Deutério e Trítio são isótopos do Hidrogênio, o elemento mais abundante do planeta. O Deutério é muito comum e pode ser encontrado na água do mar: 1 em cada 6.500 átomos de hidrogênio nesse corpo de água é Deutério. Por outro lado, o Trítio é um isótopo radioativo raramente encontrado na natureza, com meia-vida de apenas 12,32 anos. No entanto, o Trítio pode ser produzido por um processo chamado breeding, que consiste na fusão de Lítio com um nêutron. Uma usina de fusão poderia, portanto, tornar-se autossuficiente — algo de extrema relevância para a viabilidade econômica do processo.

Mas, quanto de energia a Fusão realmente geraria?

A Fusão Nuclear é amplamente estudada pelo seu grande potencial de produzir uma fonte de energia limpa e inesgotável. A demanda energética global cresce continuamente. Atualmente, as principais fontes da matriz energética mundial são extremamente poluentes, liberando CO₂ para a atmosfera e causando danos potencialmente irreversíveis ao meio ambiente — leia mais na seção Ambiente.

Além de ser uma fonte renovável e não poluente, a Fusão Nuclear apresenta um ganho energético extraordinário:

Agora, quais são as pesquisas envolvidas em como produzir a Fusão na Terra?