Fusão Nuclear

Uma forma muito eficiente de obter energia é por meio daquela que provém de núcleos atômicos, denominada energia nuclear. Esta energia é obtida através da fusão nuclear.

No processo de fusão nuclear ocorre a união de dois ou mais núcleos atômicos, formando um núcleo de maior número atômico. Um exemplo de fusão nuclear é a energia que a Terra recebe proveniente do Sol. Neste processo, os núcleos de hidrogênio se fundem e formam núcleos de hélio, liberando uma enorme quantidade de energia, como mostra a seguinte equação química.

4 ₁¹H → ₂⁴He + 2 ₊₁⁰β + 2 ₀⁰ν + energia

Este tipo de reação necessita de temperaturas extremamente altas, por isso não pode ser reproduzida artificialmente. No entanto, cientistas começaram a pesquisar maneiras de realizar uma reação similar a da fusão nuclear e, com isso, conseguiram, em 1952, obter a primeira bomba de hidrogênio a partir de uma fusão não controlada.

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Outras reações de fusão nuclear que podem ocorrer são as mostradas a seguir.

₁²H + ₁³H → ₂⁴He + ₀¹n + energia

₁²H + ₁¹H → ₂³He + energia

₂³He + ₂³He → ₂⁴He + 2 ₁¹H + energia

Deve-se utilizar energia de ativação para iniciar esses processos de fusão nuclear, que pode ser a energia que provém da explosão de uma bomba atômica. Hoje em dia, pesquisas são realizadas com o intuito de buscar novas alternativas para a energia de ativação, porém ainda não foram descobertas maneiras de se obter energia a partir da fusão nuclear de forma controlada. A maior dificuldade em se construir um reator de fusão nuclear está no impossibilidade de encontrar um material adequado para constituir o recipiente no qual a fusão ocorreria. Esse material, ainda não encontrado, deve suportar uma temperatura mínima de 300 milhões de graus Celsius.

A fusão nuclear não gera resíduos radioativos de vida longa. A energia de ligação nuclear aumenta bastante dos elementos mais leves, como o deutério, para os elementos mais pesados. Isso quer dizer que há a liberação de energia quando os núcleos de hidrogênio se fundem para produzir os núcleos dos elementos leves. No entanto, a força de repulsão eletrostática entre os prótons impede que eles se aproximem o suficiente para que o processo de fusão ocorra. Os núcleos dos isótopos mais pesados do hidrogênio apresentam maior facilidade de se fundirem, pois os nêutrons a mais contribuem para a força intensa, permitindo que os prótons que se aproximam sejam capturados.

Um dos esquemas do processo de fusão nuclear utiliza o deutério (D) e o trítio (T) na sequência de reações nucleares mostrada a seguir.

D + D → ³He + n

D + D → T + p

D + T → ⁴He + n

D + ³He → ⁴He + p

Reação total: 6 D → 2 ⁴He + 2 p + 2 n

A reação total acima libera 3 x 10⁸ kJ de energia por grama de deutério consumido. O trítio adicional é fornecido com o intuito de facilitar o processo de fusão. Por ter baixa abundância na natureza e por ser radioativo, o trítio é gerado na região próxima da zona da reação por meio do bombardeamento do lítio-6 com nêutrons, como mostra a equação abaixo.

⁶Li + n → T + ⁴He

No processo de reação da fusão nuclear, os núcleos carregados devem ser arremessados uns contra os outros com energia cinética bastante elevada, e uma forma de acelerar os núcleos para que estes adquiram velocidades altas o suficiente é aquecê-los com uma explosão de fissão. A partir deste método, é produzida uma explosão termonuclear, que ocorre por causa da fusão nuclear.

Nas bombas de hidrogênio, uma bomba de fusão de lítio-6 é disparada por uma bomba de fissão (usando urânio ou plutônio). A capacidade destrutiva das bombas de fusão é bem variável. As mais comuns possuem capacidade destrutiva 200 vezes maior do que as bombas de fissão que foram lançadas sobre as cidades japonesas de Hiroshima e Nagasaki durante a Segunda Guerra Mundial.

Atualmente, tem-se desenvolvido pesquisas para realizar a fusão nuclear, porém com liberação controlada da energia nuclear, por meio do aquecimento de um plasma ou gás ionizado, pela passagem de uma corrente elétrica. Os fortes campos magnéticos impedem que os íons de alta velocidade do plasma atinjam as paredes do reator. O reator usado neste processo é conhecido como Tokomak e se encontra na figura abaixo.

Reator Tokomak experimental de fusão do Princeton Plasma Physics Laboratory.