Fusão nuclear é o processo de formação de um núcleo a partir da colisão e posterior junção de dois núcleos menores.
Os núcleos que colidem devem ter, inicialmente, uma energia cinética que lhes permita se aproximar contra a repulsão coulombiana o suficiente para que a interação nuclear forte passe a ser efetiva e mais importante.
Como a repulsão coulombiana é tanto mais importante quanto maior a carga elétrica dos núcleos em colisão, a fusão nuclear pode ser provocada com mais facilidade entre núcleos com número pequeno de prótons.
Emin ( 1 / 4p eo ) Z1Z2 e2 / ( R1 + R2 )
onde R1 e R2 são os raios e Z1 e Z2, os números atômicos dos núcleos.
e 1,60 x 10-19 C
1 / 4p eo 8,99 x 109 Nm2 / C2
1J 6,24 x 1012 MeV
R1 + R2 10-14 m
Emin 1,44 x 10-1 Z1Z2 MeV
Da teoria cinética sabe-se que a energia cinética média por partícula de um gás é da ordem de kT, onde:
k = 1,3807 x 10-23 J / K = 8,6176 x 10-11 MeV / K
é a constante de Boltzmann e T, a temperatura kelvin.
Um gás dos núcleos de menor número atômico, isto é, um gás de prótons ou um gás de núcleos de deutério, se existisse qualquer um dos dois, deveria ter uma temperatura da ordem de 109 K para que ocorressem fusões porque, fazendo Emin = kT com Z1 = Z2 = 1, vem:
T = Emin / k 1,44 x 10-1 MeV / ( 8,62 x 10-11 MeV / K ) 1,67 x 109 K
Esse resultado representa apenas uma estimativa grosseira. Na verdade, para um gás de prótons ou um gás de núcleos de deutério, já ocorrem fusões se a temperatura é da ordem de 106 K ou, em termos energéticos, se os prótons ou os núcleos de deutério têm energias cinéticas de cerca de 90 eV.
É interessante comparar essa energia mínima que devem ter os prótons ou os núcleos de deutério para iniciar as reações de fusão com a energia cinética dos nêutrons térmicos que iniciam as reações de fissão, que é de cerca de 0,03 eV.
Já foi discutido que o processo de fusão vem acompanhado de liberação de energia porque as energias de ligação por núcleon dos núcleos iniciais são menores do que a energia de ligação por núcleon do núcleo final.
Tomando como exemplo a fusão de dois núcleos de oxigênio 16 para formar um núcleo de enxofre 32 foi visto que era liberada uma energia de 25,6 MeV. O cálculo foi o possível de ser feito a partir do gráfico E / A contra A.
Agora, fazendo Z1 = Z2 = 8 na expressão para a energia cinética mínima dos núcleos para que ocorra a fusão vem:
Emin 1,44 x 10-1 Z1Z2 MeV = 1,44 x 10-1 ( 8 )( 8 ) MeV 9,22 MeV
Reator de fusão nuclear é qualquer sistema físico onde se produz e se controla uma reação nuclear de fusão em cadeia.
Embora existam vários métodos propostos e sendo implementados para a geração de energia por meio da fusão, ainda não existe um reator que funcione satisfatoriamente.
A reação de fusão deutério-hélio 3:
2H1 + 3He2 4He2 + p [ DE = 18,3 MeV ]
2H1 + 3H1 4He2 + n [ DE = 17,6 MeV ]
são consideradas as mais importantes porque liberam grande quantidade de energia por unidade de massa.
Contudo, para a implementação da reação deutério-hélio 3, deve-se enfrentar um problema até agora em aberto: enquanto o deutério pode ser facilmente obtido da água do mar, o hélio 3 é raro e não pode ser obtido por qualquer processo simples.
Por outro lado, para a implementação da reação deutério-trítio, deve-se enfrentar os seguintes problemas: o trítio é muito raro na natureza e os nêutrons produzidos, ao serem absorvidos por vários tipos de núcleos, podem originar núcleos radioativos.
Aparentemente, esses dois problemas têm solução. A escassez de trítio pode ser resolvida porque o trítio pode ser produzido pelo bombardeamento de lítio pelos nêutrons liberados num reator de fissão, segundo a reação:
6Li3 + n 4He2 + 3H1
O obstáculo mais importante que impede o funcionamento satisfatório dos reatores de fusão é a incapacidade de se manter uma certa quantidade de plasma de deutério e trítio num estado de temperatura e pressão adequado para que ocorram as fusões durante o intervalo de tempo necessário para produzir uma quantidade de energia maior do que aquela consumida.
No confinamento magnético, o plasma é comprimido adiabaticamente pelo rápido aumento da intensidade do campo magnético e, com isso, aumenta a sua temperatura até que aconteçam as fusões.
No confinamento inercial, feixes muito intensos de raio laser aquecem e comprimem minúsculas cápsulas com um plasma de deutério e trítio até que ele atinja um estado de temperatura e pressão adequado para que ocorram as fusões.
As temperaturas no interior do Sol e de outras estrelas são maiores do que 107 oC. Então, nesses ambientes, ocorrem reações termonucleares.
Abaixo estão representados os estágios do ciclo do carbono, que se supõe ser o processo que produz a maior parte da energia que o Sol continuamente irradia para o espaço.
Cada núcleo de carbono 12 consumido no estágio 1 reaparece como produto no estágio 6, ou seja, o ciclo do carbono não faz diminuir a quantidade de núcleos de carbono 12 do interior do Sol.
Por outro lado, os núcleos de hidrogênio 1, ou seja, os prótons, consumidos nos estágios 1, 3, 4 e 6, nunca mais reaparecem como produto. O produto final de cada ciclo é um núcleo de hélio 4.
A reação efetiva que se desenvolve no ciclo do carbono é a seguinte:
41H1 4He2 + 2e+ + 2n [ DE 25 MeV ]
A reação é de fusão de 4 núcleos de hidrogênio 1 (4 prótons) para resultar em um núcleo de hélio 4. A energia total gerada nessa reação é de cerca de 25 MeV.
Com o passar do tempo, o conteúdo de hidrogênio do Sol diminui e cresce o conteúdo de hélio.
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