A física da fusão nuclear: reações

Isótopos Os isótopos são átomos do mesmo elemento com o mesmo número de prótons e elétrons, mas um número diferente de nêutrons.  Eis alguns isótopos comuns para fusão:   prótio ou hidrogênio - isótopo de hidrogênio com um próton e nenhum nêutron. É a forma mais comum de hidrogênio e o elemento mais comum no universo;  deutério - isótopo de hidrogênio com um próton e um nêutron. Não é radioativo e pode ser extraído da água do mar; trítio - isótopo de hidrogênio com um próton e dois nêutrons. É radioativo, com meia-vida de aproximadamente 10 anos; não ocorre naturalmente, mas pode ser produzido por meio do bombardeio de lítio por nêutrons; hélio 3 é um isótopo de hélio com dois prótons e um nêutron;  hélio 4 é a forma mais comum de ocorrência natural do hélio, com dois prótons e dois nêutrons.

Os atuais reatores nucleares usam a fissão nuclear para gerar energia. Na fissão nuclear, a energia é obtida a partir da divisão de um átomo em dois átomos. Em um reator nuclear convencional, os nêutrons de alta energia dividem átomos pesados de urânio, proporcionando grandes quantidades de energia, radiação e lixo radioativo por longos períodos de tempo (veja Como funciona a energia nuclear).

Na fusão nuclear, a energia é obtida quando dois átomos são agrupados para formar um. Em um reator de fusão, os átomos de hidrogênio se agrupam para formar átomos de hélio, nêutrons e grandes quantidades de energia. Esse é o mesmo tipo de reação utilizado pelas bombas de hidrogênio e pelo Sol. Essa seria uma fonte de energia mais limpa, segura, eficiente e abundante do que a fissão nuclear.

Há vários tipos de reações de fusão. A maioria envolve os isótopos de hidrogênio denominados deutério e trítio:

• Cadeia próton-próton: esta seqüência é o esquema de reação de fusão predominante utilizado pelas estrelas como o sol.
  1. dois pares de prótons transformam-se em dois átomos de deutério;
  2. cada átomo de deutério é combinado com um próton para formar um átomo de hélio 3;
  3. dois átomos de hélio 3 são combinados para formar o berílio 6, que é instável;
  4. o berílio 6 decai em dois átomos de hélio 4.

     Essas reações produzem partículas de alta energia (prótons, elétrons, neutrinos, pósitrons) e radiação (luz, raios gama).

   

• Reações deutério-deutério: dois átomos de deutério são combinados para formar um átomo de hélio 3 e um nêutron.

 

 

• Reações deutério-trítio: um átomo de deutério e um átomo de trício são combinados para formar um átomo de hélio 4 e um nêutron. A maior parte da energia liberada está na forma de nêutron de alta energia.

 

De forma conceitual, a utilização de fusão nuclear em um reator não é complexa. No entanto, tem sido extremamente difícil para os cientistas chegar a uma forma controlável e não destrutiva de fazê-lo. Para entender o motivo, precisamos analisar as condições necessárias para a fusão nuclear.