Fusão nuclear

Referência : Ribeiro, D., (2014) Fusão nuclear, Rev. Ciência Elem., V2(4):083
Autor: Daniel Ribeiro
Editor: Jorge Gonçalves
DOI: [http://doi.org/10.24927/rce2014.083]

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Figura 1 Cadeia de reações nucleares protão-protão. (Adaptado de ^[4])

A fusão nuclear consiste na reação entre dois núcleos atómicos leves que resulta na produção de uma espécie nuclear mais pesada do que os núcleos atómicos iniciais.^[1] Aquando da compressão de dois núcleos de hidrogénio, por exemplo, eles podem fundir-se formando um núcleo de hélio, libertando uma gigantesca quantidade de energia ao longo do processo. Com sucessivas reações de fusão nuclear, todos os elementos químicos conhecidos podem ser sintetizados a partir do hidrogénio.

O legado dos fenómenos de fusão nuclear remonta a 1920 quando o astrónomo Sir Arthur Eddington (1882 – 1944) propõe a ocorrência de fusões nucleares nos seus modelos estelares. Contudo, apenas nos anos 30 é que a fusão nuclear é verificada experimentalmente.^[2] Em 1932 a fusão de isótopos de hidrogénio é conseguida em laboratório e em 1939 o físico nuclear Hans Bethe (1906 – 2005) descreve os processos de fusão nuclear existentes nas estrelas (nucleossíntese estelar).

A fusão nuclear é um fenómeno incrivelmente difícil de ser provocado, exigindo temperaturas da ordem de muitos milhares de graus Celsius. No entanto, quando alcançado, liberta muito mais energia do que a que consome. A energia gigantesca necessária para ativar o processo de fusão nuclear deve-se, essencialmente, à barreira de forças electroestáticas entre os núcleos (carregados positivamente).

Uma das mais importantes cadeias de reações de fusão nuclear ocorre no Sol e estrelas idênticas que utilizam como “combustível” o seu hidrogénio produzindo hélio (ver figura 1). As equações que descrevem o processo exposto na figura 1 podem também ser escritas^[3]

${}_1^1 H + {}_1^1 H \longrightarrow {}_1^2 H + e^+ + \nu + 0,42 MeV$

${}_1^1 H + {}_1^2 H \longrightarrow {}_2^3 He + \gamma + 5,49 MeV$

${}_2^3 He + {}_2^3 He \longrightarrow {}_2^4 He + _1^1 H + {}_1^1 H + 12,86 MeV$

em que ${}_1^1 H$ é um protão, ${}_1^2 H$ é o deutério, $e^+$ é um positrão (ou electrão positivo), $\nu$ é um neutrino (que não possui nem número atómico nem número de massa), ${}_2^3 He$ é o hélio-3, $\gamma$ é um fotão gama e ${}_2^4 He$ é o isótopo mais estável do hélio (também denominado de partícula alfa).

Note-se que a libertação de energia neste processo está expressa em MeV/átomo em vez de kJ/mol, o que evidencia a enorme diferença entre as ordens de grandeza das energias envolvidas nas reações químicas e nas nucleares. Por exemplo, a combustão do gás propano debita 2220 J por cada mole de gás (3,60 x 10^-21 J/molécula de propano) que reage enquanto a anterior reação de fusão nuclear entre dois núcleos de hélio-3 com a formação de um núcleo de hélio-4 e dois protões debita 110 x 10¹² J por cada mole de átomos de hélio-4 formado (18 x 10^-11 J/átomo = 12,86 MeV/átomo).^‡

A escrita de equações que traduzem reações de fusão nucleares (tal como as de fissão nuclear) obedece a duas regras específicas^[5]:

• Regra Z – A soma dos números atómicos, Z, das partículas reagentes é igual à soma dos números atómicos dos produtos de reação;
• Regra A – A soma dos números de massa, A, das partículas reagentes é igual à soma dos números de massa dos produtos da reação.

A mais importante e desejada aplicação da fusão nuclear reside na construção de reatores termonucleares de fusão. Todavia, apesar do gigantesco esforço mundial, a fusão nuclear controlada ainda não foi atingida. Embora algumas reações nucleares de fusão já tenham sido realizadas em condições laboratoriais, tais como^[3]

${}_1^2 H + {}_1^3 H \longrightarrow {}_2^4 He + n + 17,6 MeV$

${}_1^2 H + {}_1^2 H \longrightarrow {}_2^3 He + n + 3,2 MeV$

${}_1^2 H + {}_1^2 H \longrightarrow {}_1^3 H + _1^1 H + 4,0 MeV$

A principal dificuldade na obtenção de energia a partir da fusão nuclear reside no problema da contenção do material combustível a temperaturas bastante elevadas (suficientemente elevadas para ser possível suplantar a barreira electroestática) durante um intervalo de tempo considerável.^[3] Uma equipa internacional de cientistas está a colaborar na construção de um reator de fusão chamado International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), que irá testar a viabilidade comercial da utilização da fusão nuclear.^[2] Contudo, ainda há muito trabalho a ser realizado antes da energia proveniente da fusão nuclear poder ser comercializada.

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^‡ Como 1 eV = 1,6022 x 10^-19 J, 1 MeV/átomo corresponde a 9,65 x 10⁷ kJ/mol.^[6]

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Referências

1. IUPAC Gold Book: Nuclear fusion reaction, consultado em 08/12/2011.
2. J. Baker, 50 Ideias Que Precisa Mesmo De Saber – Física, 1ª edição, Alfragide: Publicações Dom Quixote, 2011, ISBN: 978-972-20-4707-4.
3. A. Das, T. Ferbel, Introduction to Nuclear and Particle Physics, 2nd edition, New Jersey: World Scientific, 2003, ISBN: 981-238-744-7.
4. Wikimedia Commons: Fusion in the Sun, consultado em 08/12/2011.
5. C. Corrêa, F. P. Basto, N. Almeida, Química, 1ª edição, Porto: Porto Editora, 2008, ISBN: 978-972-0-42248-4.
6. NIST electron volt-joule relationship, consultado em 08/12/2011

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Criada em 07 de Dezembro de 2011
Revista em 08 de Dezembro de 2011
Aceite pelo editor em 09 de Fevereiro de 2012