25/11/2015

Fusão Nuclear


A fusão nuclear é o processo no qual dois ou mais núcleos atómicos se fundem formando um novo núcleo com um número atómico superior.
Para que a fusão nuclear aconteça, é necessária muita energia e, quando se dá com elementos mais leves do que o ferro ou o níquel (que têm as maiores forças de coesão nuclear de todos os átomos, sendo, portanto, mais estáveis), a fusão geralmente liberta energia, mas com elementos mais pesados, há consumo de energia.
Existe conservação de energia e, portanto, pode-se calcular a massa dos quatro protões e o núcleo do hélio, e subtrair a soma das massas das partículas iniciais daquela, a partir do produto inicial desta reação nuclear, para calcular a massa/energia emitida.
É possível, através da equação E=mc2, calcular a energia libertada, proveniente da diferença de massa. Uma vez que o valor de c é muito grande (aproximadamente 3 x 108 m/s), mesmo uma massa muito pequena corresponde a uma enorme quantidade de energia. Foi este facto que levou muitos investigadores a iniciar projetos para o desenvolvimento de reatores de fusão (Takamarks) com o objetivo de gerar eletricidade.


A origem da energia libertada, na fusão e elementos leves, deve-se a uma interação de duas forças opostas, a força nuclear, que reúne os protões e neutrões, e da força de Coulomb, que faz com que os protões se repilam entre si.


Devido ao facto de a força nuclear ser mais forte do que a força de Coulomb, para os núcleos atómicos menores do que o ferro e o níquel, construir estes núcleos a partir de elementos mais leves através da fusão, liberta a energia extra da rede de atração destas partículas. Para núcleos mais pesados, não é libertada energia, visto que a força nuclear é de curto alcance e não consegue continuar a agir através de núcleos atómicos com massa superior. Invés, a energia é absorvida.
A energia libertada pela fusão é tão grande, que poucos cm3 de deutério, produzem o equivalente à combustão de 20 toneladas de carvão.
A ideia da fusão nuclear como fonte de energia é relativamente barata para a produção de eletricidade e ajudaria a reduzir o consumo de combustíveis fósseis. As reações de fusão nuclear em laboratório podem ser obtidas com o aquecimento do plasma, mas torna-se difícil de contê-lo nas altas temperaturas requeridas para as reações de fusão auto-sustentadas, pois os gases aquecidos tendem a expandir-se e escapar da estrutura circundante.

Condições
Para que ocorra o processo de fusão, é necessário superar a força de repulsão elétrica entre os núcleos, que aumenta na razão direta da distância entre eles. Se a energia para iniciar e reação vem da aceleração de um núcleo, o processo é chamado de fusão "projétil-alvo";  se ambos os núcleos são acelerados, isto é fusão projétil/projétil. Se o núcleo faz parte de um plasma próximo ao equilíbrio térmico, denominamos fusão termonuclear.
A temperatura é uma medida da energia cinética média das partículas, então, por aquecimento, o núcleo deverá ganhar energia e, eventualmente, transpor a barreira de 0,1 MeV.
Existem dois fatores que podem diminuir a temperatura necessária para a fusão:
  1. temperatura é uma média da energia cinética, implicando que alguns núcleos, a esta temperatura poderão já ter uma energia maior do que 0,1 MeV, enquanto outros um pouco menos. Estes núcleos estão na faixa de alta-energia da distribuição de velocidade e participam na maioria das reações de fusão;
  2. O outro efeito é o tunelamento quântico. O núcleo não precisa de ter sempre energia, pode tunelar através da barreira restante. Por esta razão, combustíveis a temperaturas mais baixas, podem fundir-se, a uma temperatura mais baixa.
A fusão da reação de deutério-trítio aumenta rapidamente a sua taxa com o aumento de temperatura, até chegar a um valor máximo de 70 KeV (800 milhões de Kelvins), após o que gradualmente, desce.


Bomba de Hidrogénio
A fusão nuclear gera quantidades de energia muito superiores às geradas pela fissão nuclear.
A bomba de hidrogénio consiste na fusão nuclear de deutério (21H) e trítio(31H)  com libertação de energia equivalente a 50 bombas atómicas.
Para que esta fusão aconteça é necessário conseguirem-se altas temperaturas, pelo que se usa a fissão de forma a desencadear a fusão nuclear.
21H + 31H =>42H + 1,0 n
Na bomba de hidrogénio usa-se um disparador de bomba atómica para iniciar a reação de fusão nuclear, como dito acima. Porém, os cientistas militares foram mais além, no que diz respeito ao poder destrutivo da bomba, envolvendo-a em urânio natural. Os neutrões libertados pela fusão causam, depois, uma explosão por fissão nuclear no invólucro de urânio, ou seja, há uma libertação de energia enorme.

Reatores de fusão nuclear
Para alcançar as temperaturas necessárias para a fusão nuclear, os átomos de hidrogénio são aquecidos num reator de fusão. Os núcleos dos átomos são separados dos eletrões e forma-se um tipo especial de matéria denominada plasma. Para que os núcleos, separados, de hidrogénio se possam fundir, o plasma deve ser conservado a temperaturas que rondam os 146ºC.



O campo electromagnético dentro do reator, mantém as altas temperaturas necessárias para a fusão nuclear (ainda estão a ser feitas pesquisas para fundir núcleos em larga escala, nas experiências de fusão da Joint European Torus, em Inglaterra).
Há duas formas de atingir as temperaturas e pressões necessárias para que a fusão ocorra:
  1. O confinamento magnético usa campos magnéticos e elétricos para aquecer e comprimir o plasma de hidrogénio. O projeto ITER, na França, está a usar este método;
  2. confinamento inercial usa feixes de laser ou de iões para comprimir  e aquecer o plasma de hidrogénio. Os cientistas estão a estudar esta abordagem experimental na National Ignition Facility do Laboratório Lawrence Livermore, nos EUA.
No confinamento magnético, microondas, eletricidade e feixes de partículas neutras de aceleradores, aquecem um fluxo de gás de hidrogénio, transformando-o em plasma. Este plasma é comprimido por ímanes supercondutores, permitindo que se dê a fusão.
O formato mais eficiente é o de toróide. Um reator com este formato é denominado Tokamak.  O Tokamak ITER será um reator independente cujas partes estão divididas em vários compartimentos. Estes podem ser facilmente inseridos e removidos sem precisar de destruir todo o reator para fazer a manutenção.
O Tokamak terá um plasma toróide com um raio interno de 2 metros e um raio externo de 6,2 metros.
Confinamento inercial:
A NIF (National Ignition Facility) do laboratório Lawrence Livermore está a realizar experiências em que usa feixes de laser para induzir a fusão. No  dispositivo da NIF, 192 feixes  de laser serão conduzidos para um único ponto, numa câmera de alvos com 10 metros de diâmetro, denominada hohlraum (cavidade em alemão). Uma hohlraum é uma "cavidade" cujas paredes estão em equílibrio radioativo com a energia radiante na "cavidade", de acordo com a Science and Engineering Encyclopaedia.
No ponto focal, dentro da câmera de alvos, haverá uma esfera (do tamanho de uma ervilha) de deutério-trítio (1,8 milhões de Joules) irá aquecer o cilindro e gerar raios X. O aquecimento e a radiação converterão a esfera em plasma e irão comprimi-la até que a fusão ocorra. A reação de fusão terá uma breve vida útil, cerca de um milionésimo de segundo, mas irá render de 50 a 100 vezes mais energia do que a necessária para iniciar a reação de fusão. Um reator deste tipo teria vários alvos, que poderiam ser ativados em sequência para gerar produção de calor sustentável.
Como o reator de fusão de confinamento magnético, o aquecimento a partir da fusão de confinamento inercial passará por um conversor de calor, a fim de criar vapor para produzir eletricidade.

Há vários tipos de reação de fusão. A maioria envolve os isótipos de hidrogénio, deutério e trítio:
  • Cadeia protão-protão: esta sequência é o esquema de reação predominante nas estrelas como o Sol:
Estas reações produzem partículas de alta energia (protões, eletrões, neutrinos, positrões) e radiação (luz, raios gama).

  1. Dois pares de protões transformam-se em 2 átomos de deutério;
  2. Cada átomo de deutério é combinado com um protão 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.
  • Reações deutério-deutério: dois átomos de deutério são combinados para formar um átomo de hélio 3 e um neutrão.
  • Reações deutério-trítio: um átomo de deutério e um átomo de trítio são combinados para formar um átomo de hélio 4 e um neutrão. A maior parte da energia libertada está na forma de neutrões de alta energia.
De forma conceitual, a utilização da fusão nuclear num reator não é complexa. No entanto, tem sido extremamente dificil para os cientistas chegar a uma forma controlável e não destrutiva de fazê-lo. Para entender o motivo, precisamos de analisar as condições necessárias para a fusão nuclear.

Condições para a fusão nuclear
Quando os átomos de hidrogénio se fundem, os núcleos são reunidos. No entanto, os protões em cada núcleo tenderão a se repetirem por terem a mesma carga (positiva):
  • Alta Temperatura - a alta temperatura fornece energia aos átomos de hidrogénio para que eles superem a repulsão elétrica entre os protões.
  1. A fusão requer temperaturas à volta dos 100 milhões de kelvins (aproximadamente seis vezes mais quente que o núcleo do Sol).
  2. A estas temperaturas, o hidrogénio é um plasma, não um gás.
  3. O Sol atinge estas temperaturas devido à sua grande massa e à força da gravidade que a compacta no seu núcleo. (É necessário usar energia de microondas, lasers e partículas de iões para atingir estas temperaturas).
  • Alta pressão - a pressão faz com que os átomos de hidrogénio sejam comprimidos. Devem estar a 1 x 10-15 metros um do outro para que ocorra a fusão.
  1. O Sol utiliza a sua massa e a força da gravidade para comprimir os átomos de hidrogénio no núcleo.
  2. É necessário agrupar átomos de hidrogénio usando intensos campos magnéticos, potentes lasers ou feixes de iões.
Com a atual tecnologia, só é possível usar as temperaturas e pressões necessárias para a fusão de deutério-trítio.
A fusão deutério-deutério requer altas temperaturas, que talvez sejam possíveis no futuro.
Resumindo, a fusão deutério-deutério será a melhor já que é mais fácil extrair deutério da água do mar do que obter trítio a partir do lítio. Além disso, o deutério não é radioativo e as reações deutério-deutério produzirão mais energia.

Aplicações da fusão
A principal aplicação da fusão é a criação de eletricidade.  A fusão nuclear poderá fornecer uma fonte limpa e segura de energia para as gerações futuras, com muitas vantagens em relação aos atuais reatores de fissão:
  1. Fornecimento abundante de combustível - O deutério pode ser imediatamente extraído da água do mar e o trítio em excesso pode ser obtido no próprio reator de fusão a partir do lítio, que está disponível na crosta terrestre. O urânio para fissão é raro e além disso, a exploração é difícil e é necessário enriquecê-lo para se poder dar uso nos reatores.
  2. Segurança - As quantidades de combustível usadas para fusão são pequenas se comparadas às usadas nos reatores de fissão. Portanto, não ocorrem libertações não controladas de energia. A maioria dos reatores de fusão produzem menos radiação do que a radiação de fundo natural com a qual convivemos diariamente.
  3. Pureza - Não há combustão na energia nuclear (fissão ou fusão) e, portanto, não há poluição do ar;
  4. Menos lixo nuclear: os reatores de fusão não produzirão lixo nuclear de alto nível, como os de fissão.  O lixo não será material nuclear da categoria das armas nucleares, como é o caso dos reatores de fissão.

Notas
  • O principal tipo de fusão que acontece no interior das estrelas é a de hidrogénio - hélio, na qual dois protões se fundem numa partícula alfa (um núcleo de hélio), libertando dois positrões, dois neutrinos e energia. Mas dentro desse processo ocorrem outras reações individuais, que variam de acordo com a massa da estrela. Para estrelas com massa idêntica ou inferior ao Sol, dominam as reações protão-protão, para estrelas com massa superior à do Sol predomina o ciclo CNO.
  • As reações de fusão dos elementos mais leves das estrelas produzem todos os elementos num processo denominado nucleossíntese. A fusão dos elementos mais leves nas estrelas liberta energia.
  • Ciclo CNO: Mecanismo pelo qual a fusão de quatro protões num núcleo de 4He, mais vulgar em estrelas de grande massa, que envolve outros elementos como o carbono (C), o azoto (N) e o oxigénio (O) como catalisadores. O ciclo CNO é o mais importante para estrelas de grande massa. No caso de estrelas de interior radioativo e de pequena massa, como por exemplo o nosso Sol, predomina outro mecanismo, denominado de cadeias PP, a eficiência é proporcional a T 3,5, enquanto que a eficiência do ciclo CNO é proporcional a T18, sendo T, neste caso, a temperatura típica no centro da estrela (superior em estrelas de grande massa.
  • A fusão nuclear é um tipo de reação que produz imensas quantidades de energia. Ocorre naturalmente no interior do Sol, gerando a energia térmica de que necessitamos para sobreviver na Terra. A temperaturas de 14.000.000ºC os núcleos de 2 átomos de hidrogénio fundem-se ou unem-se. No processo, um pouco de massa é perdida e convertida em energia.
  • No Sol, onde a fusão nuclear ocorre naturalmente, os núcleos de gás de hidrogénio, fundem-se formando gás de hélio e mais uma partícula atómica chamada neutrão. Neste processo perde-se uma pequena quantidade de energia. As temperaturas extremamente elevadas existentes no Sol, fazem com que este processo se repita continuamente.
  • No Sol fundem-se 564 milhões de toneladas de hidrogénio por segundo, dando origem a 560 milhões de toneladas de hélio, numa temperatura de 20 milhões de graus e sob uma pressão de 100 biliões de vezes maior do que a pressão atmosférica. Nesta colossal fornalha, os 4 milhões de toneladas de hidrogénio que não se transformaram em hélio, passaram a energia.
  • O plasma é um estado de alta energia da matéria no qual todos os eletrões são arrancados dos átomos e movem-se livremente.





Fontes


Desejo

«O condenado à morte deixou transparecer uma alegria comovida ao saber do indulto. Mas ao cabo de algum tempo, acentuando-se as melhora...