Fusão Nuclear | Fonte de energia e reação nuclear que move as estrelas

Fusão nuclear é uma reação nuclear em que dois ou mais núcleos atômicos colidem em uma velocidade muito alta e se juntam para formar um novo tipo de núcleo atômico. Durante este processo, a matéria não é conservada porque uma parte da massa dos núcleos que atingem a fusão é convertida em energia na forma de fótons. A fusão é o processo que matem as estrelas vivas.

A fusão dos dois núcleos com massas mais baixas do que a do ferro (que, juntamente com o níquel, que tem a maior energia de ligação por núcleo) geralmente libera energia, enquanto que a fusão de núcleos mais pesados do que do ferro absorve energia. O oposto é verdadeiro para o processo inverso que conhecemos fissão nuclear.

De uma maneira geral podemos dizer que a fusão nuclear ocorre apenas com elementos mais leves, e de igual modo, que a fissão normalmente ocorre apenas para os elementos mais pesados. Há eventos astrofísicos extremos que podem levar a períodos curtos de fusão com núcleos mais pesados​​. Este é o processo que dá origem a nucleossíntese, a criação de elementos pesados​​, durante eventos como supernovas.

A Agência Internacional de Energia prevê que o consumo mundial de energia duplique nos próximos 40 anos. Atualmente cerca de 80% do consumo é assegurado pelos combustíveis fósseis, situação que não é sustentável pelas graves alterações atmosféricas que está a provocar e porque estes combustíveis deverão estar esgotados num futuro próximo (começando pelo petróleo). São, por isso, necessárias opções energéticas alternativas de grande escala, sendo a fusão nuclear uma dessas opções.

Numa reação de fusão, pequenas quantidades de matéria dão origem a enormes quantidades de energia: 3,136 x 10^-29 kg de combustível originam 17,59 MeV. Comparando com as reações químicas, 1 milhão de vezes menos poderosas que as nucleares, tem-se, por exemplo, que cerca de um litro de combustível de fusão produz a mesma energia que 6600 toneladas de carvão. A produção comercial de energia elétrica a partir da fusão de átomos leves, tal como acontece no Sol e nas estrelas, porá à disposição do homem uma fonte alternativa de energia de larga escala, com baixo impacto ambiental.

Princípios Básicos da Fusão Nuclear

Para conseguir uma reação de fusão é necessário aproximar dois núcleos que, devido a terem carga do mesmo sinal (positiva), têm tendência a repelir-se. Para ultrapassar esta barreira natural e chegar à zona muito próxima do núcleo onde se manifestam as forças nucleares,é preciso que os núcleos possuam uma energia considerável.

A fusão exige, por isso, que o meio que reage possua temperaturas muito elevadas, tipicamente da ordem de 100 milhões de graus Celsius (10 keV). A temperaturas tão elevadas, os elétrons separam-se dos núcleos e a matéria fica no estado de plasma. O plasma é um meio ionizado, com comportamento coletivo e macroscopicamente neutro que existe na Natureza sob diversas formas; na realidade, 99 por cento da matéria do Universo encontra-se na forma de plasma, o quarto estado da matéria.

Combustível de fusão nuclear

A reação de fusão mais fácil de conseguir atualmente na Terra é a que envolve deutério (D) e trítio (T), dois isótopos do hidrogênio. Esta mistura já foi usada em dois dispositivos experimentais de fusão, os tokamaks TFTR (Tokamak Fusion Test Reactor), nos Estados Unidos, e JET (Joint European Torus), na Europa.

D+T → 4He+n+17,58 MeV

Os combustíveis primários da fusão são o deutério e o lítio, uma vez que o trítio é obtido a partir do lítio, no interior do próprio reator.

Condições necessárias à obtenção de energia na fusão nuclear

Para que a fusão possa ser utilizada como fonte de energia e necessário que, alem da temperatura elevada, o plasma esteja confinado o tempo suficiente para garantir que o conjunto de partículas carregadas sofra um numero suficiente de reações de fusão. Define-se um tempo de confinamento de energia, π, como o tempo que o plasma quente leva a perder a sua energia (por radiação, convecção e condução), quando se cortam abruptamente as suas fontes de aquecimento.

O tempo π caracteriza, de certa forma, o isolamento térmico do plasma. Para que a fusão seja rentável do ponto de vista energético, e ainda necessário que a energia produzida pelas reações de fusão exceda largamente as perdas térmicas do plasma. Esta condição impõe um limite inferior ao produto da densidade (ne) pelo tempo de confinamento de energia (π), dado pelo critério de Lawson:

n_e. π > f (Q)

em que Q, fator de amplificação de energia, e a relação entre a potencia de fusão produzida e a potencia de aquecimento (exterior) fornecida ao plasma. A igualdade Q = 1 significa que a potencia gerada pelo plasma e igual a potencia que lhe e fornecida do exterior. Este estado, conhecido por breakeven, e aproximado nos dispositivos experimentais atuais com melhor desempenho (Q = 0,6 no JET). O valor Q = ∞ significa que a potencia exterior fornecida ao plasma e nula. Neste caso, o plasma e auto-sustentado e diz-se que se atingiu a “ignição”.