A física da fusão nuclear: reações

Autor: 
Craig Freudenrich, Ph.D.
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.