32.5: Fusão

Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

• Defina fusão nuclear.
• Discuta processos para obter uma geração prática de energia de fusão.

Enquanto aproveita o calor do sol de verão, um estudante lê sobre a mais recente descoberta na obtenção de energia termonuclear sustentada e se lembra vagamente de ter ouvido falar sobre a controvérsia da fusão a frio. Os três estão conectados. A energia do Sol é produzida pela fusão nuclear (veja a Figura). Energia termonuclear é o nome dado ao uso da fusão nuclear controlada como fonte de energia. Enquanto as pesquisas na área de energia termonuclear estão progredindo, as altas temperaturas e as dificuldades de contenção permanecem. A controvérsia da fusão a frio centrou-se em alegações infundadas de poder prático de fusão em temperatura ambiente.

Figura$\PageIndex{1}$: A energia do Sol é produzida pela fusão nuclear. (crédito: Spiralz)

A fusão nuclear é uma reação na qual dois núcleos são combinados ou fundidos para formar um núcleo maior. Sabemos que todos os núcleos têm menos massa do que a soma das massas dos prótons e nêutrons que os formam. A massa ausente vezes$c^2$ é igual à energia de ligação do núcleo — quanto maior a energia de ligação, maior a massa perdida. Também sabemos que$BE/A$, a energia de ligação por núcleo, é maior para núcleos de massa média e tem um máximo em Fe (ferro). Isso significa que se dois núcleos de baixa massa puderem ser fundidos para formar um núcleo maior, energia poderá ser liberada. O núcleo maior tem uma energia de ligação maior e menos massa por núcleo do que os dois combinados. Assim, a massa é destruída na reação de fusão e a energia é liberada (veja a Figura). Em média, a fusão de núcleos de baixa massa libera energia, mas os detalhes dependem dos nuclídeos reais envolvidos.

Figura$\PageIndex{2}$: A fusão de núcleos leves para formar núcleos de média massa destrói a massa, porque$BE/A$ é maior para os núcleos do produto. Quanto maior$BE/A$ for, menor será a massa por núcleo e, portanto, a massa é convertida em energia e liberada nessas reações de fusão.

A principal obstrução à fusão é a repulsão de Coulomb entre os núcleos. Como a força nuclear atraente que pode fundir núcleos é de curto alcance, a repulsão de cargas positivas semelhantes deve ser superada para aproximar os núcleos o suficiente para induzir a fusão. A figura mostra um gráfico aproximado da energia potencial entre dois núcleos em função da distância entre seus centros. O gráfico é análogo a uma colina com um poço no centro. Uma bola lançada pela direita deve ter energia cinética suficiente para superar a protuberância antes de cair no poço mais profundo com um ganho líquido de energia. O mesmo acontece com a fusão. Se os núcleos receberem energia cinética suficiente para superar a energia potencial elétrica devido à repulsão, eles podem se combinar, liberar energia e cair em um poço profundo. Uma maneira de fazer isso é aquecer o combustível de fusão a altas temperaturas para que a energia cinética do movimento térmico seja suficiente para unir os núcleos.

Figura:$\PageIndex{3}$ Energia potencial entre dois núcleos de luz representados graficamente em função da distância entre eles. Se os núcleos tiverem energia cinética suficiente para superar a protuberância de Coulomb, eles se combinam, liberam energia e caem em um poço profundo e atraente. O tunelamento através da barreira é importante na prática. Quanto maior a energia cinética e quanto mais as partículas subirem a barreira (ou quanto mais baixa a barreira), maior a probabilidade de tunelamento.

Você pode pensar que, no núcleo do nosso Sol, os núcleos estão entrando em contato e se fundindo. No entanto, na verdade, temperaturas da ordem de$10^8 K$ são necessárias para realmente colocar os núcleos em contato, excedendo a temperatura central do Sol. O tunelamento mecânico quântico é o que torna possível a fusão no Sol, e o tunelamento também é um processo importante na maioria das outras aplicações práticas da fusão. Como a probabilidade de tunelamento é extremamente sensível à altura e largura da barreira, o aumento da temperatura aumenta consideravelmente a taxa de fusão. Quanto mais próximos os reagentes se aproximam, maior a probabilidade de eles se fundirem (veja a Figura). Assim, a maior parte da fusão no Sol e em outras estrelas ocorre em seus centros, onde as temperaturas são mais altas. Além disso, a alta temperatura é necessária para que a energia termonuclear seja uma fonte prática de energia.

Figura$\PageIndex{4}$: (a) Dois núcleos que se dirigem um em direção ao outro diminuem a velocidade, depois param e voam para longe sem tocar ou se fundir. (b) Em energias mais altas, os dois núcleos se aproximam o suficiente para a fusão via tunelamento. A probabilidade de tunelamento aumenta à medida que eles se aproximam, mas eles não precisam tocar para que a reação ocorra.

O Sol produz energia ao fundir prótons ou núcleos de hidrogênio$^1H$ (de longe o nuclídeo mais abundante do Sol) em núcleos de hélio$^4He$. A sequência principal das reações de fusão forma o que é chamado de ciclo próton-próton:

$$^1H + ^1H \rightarrow ^2H + e^+ + \nu_e \, \space (0.42 \, MeV)$$

$$^1H + ^2H \rightarrow ^3He + \gamma \, \space (5.49 \, meV)$$

$$^3He + ^3He \rightarrow ^4He + ^1H + ^1H \, (12.86 \, MeV)$$

onde$e^+$ representa um pósitron e$\nu_e$ é um neutrino eletrônico. (A energia entre parênteses é liberada pela reação.) Observe que as duas primeiras reações devem ocorrer duas vezes para que a terceira seja possível, de forma que o ciclo consuma seis prótons ($^1H$), mas devolva dois. Além disso, os dois pósitrons produzidos encontrarão dois elétrons e se aniquilarão para formar mais quatro$\gamma$ raios, totalizando seis. O efeito geral do ciclo é, portanto,

$$2e^- + 4^1H \rightarrow ^4He + 2\nu_e + 6\gamma \, \space (26.7 \, MeV)$$

onde o 26,7 MeV inclui a energia de aniquilação dos pósitrons e elétrons e é distribuído entre todos os produtos da reação. O interior solar é denso e as reações ocorrem nas profundezas do Sol, onde as temperaturas são mais altas. São necessários cerca de 32.000 anos para que a energia se difunda na superfície e se irradie. No entanto, os neutrinos escapam do Sol em menos de dois segundos, carregando sua energia consigo, porque interagem tão fracamente que o Sol é transparente para eles. O feedback negativo no Sol atua como um termostato para regular a produção geral de energia. Por exemplo, se o interior do Sol ficar mais quente do que o normal, a taxa de reação aumenta, produzindo energia que expande o interior. Isso o resfria e diminui a taxa de reação. Por outro lado, se o interior ficar muito frio, ele se contrai, aumentando a temperatura e a taxa de reação (veja a Figura). Estrelas como o Sol permanecem estáveis por bilhões de anos, até que uma fração significativa de seu hidrogênio se esgote. O que acontece então é discutido em Introdução às Fronteiras da Física.

Figura$\PageIndex{5}$: A fusão nuclear no Sol converte núcleos de hidrogênio em hélio; a fusão ocorre principalmente no limite do núcleo de hélio, onde a temperatura é mais alta e permanece hidrogênio suficiente. A energia liberada se difunde lentamente para a superfície, com exceção dos neutrinos, que escapam imediatamente. A produção de energia permanece estável devido aos efeitos negativos do feedback.

As teorias do ciclo próton-próton (e outros ciclos de produção de energia nas estrelas) foram pioneiras pelo físico americano nascido na Alemanha Hans Bethe (1906—2005), a partir de 1938. Ele recebeu o Prêmio Nobel de Física de 1967 por este trabalho e fez muitas outras contribuições à física e à sociedade. Os neutrinos produzidos nesses ciclos escapam tão rapidamente que nos fornecem um excelente meio de testar essas teorias e estudar interiores estelares. Os detectores foram construídos e operados há mais de quatro décadas para medir os neutrinos solares (veja a Figura). Embora os neutrinos solares sejam detectados e os neutrinos tenham sido observados na Supernova 1987A (Figura), poucos neutrinos solares foram observados para serem consistentes com as previsões da produção de energia solar. Depois de muitos anos, esse problema de neutrino solar foi resolvido com uma mistura de teoria e experimento que mostrou que o neutrino realmente tem massa. Também foi descoberto que existem três tipos de neutrinos, cada um associado a um tipo diferente de decaimento nuclear.

Figura$\PageIndex{6}$: Este conjunto de tubos fotomultiplicadores faz parte do grande detector solar de neutrinos do Fermi National Accelerator Laboratory, em Illinois. Nesses experimentos, os neutrinos interagem com a água pesada e produzem flashes de luz, que são detectados pelos tubos fotomultiplicadores. Apesar de seu tamanho e do enorme fluxo de neutrinos que o atingem, muito poucos são detectados a cada dia, pois eles interagem tão fracamente. Essa, é claro, é a mesma razão pela qual eles escapam do Sol tão prontamente. (crédito: Fred Ullrich)

Figura$\PageIndex{7}$: As supernovas são a fonte de elementos mais pesados que o ferro. A energia liberada alimenta a nucleossíntese. A análise espectroscópica do anel de material ejetado pela Supernova 1987A, observável no hemisfério sul, mostra evidências de elementos pesados. O estudo dessa supernova também forneceu indícios de que os neutrinos podem ter massa. (crédito: NASA, ESA e P. Challis)

O ciclo próton-próton não é uma fonte prática de energia na Terra, apesar da grande abundância de hidrogênio ($^1H$). A reação$^1H + ^1H \rightarrow ^2H + e^+ + \nu_e$ tem uma probabilidade muito baixa de ocorrer. (É por isso que nosso Sol durará cerca de dez bilhões de anos.) No entanto, várias outras reações de fusão são mais fáceis de induzir. Entre eles estão:

$$^2H + ^2H \rightarrow ^3H + ^1H \, \space (4.03 \, MeV)$$

$$^2H + ^2H \rightarrow ^3H + n \, \space (3.27 \, MeV)$$

$$^2H + ^3H \rightarrow ^4He + n \, \space (17.59 \, MeV)$$

$$^2H + ^2H \rightarrow ^4He + \gamma \, \space (23.85 \, MeV)$$

O deutério ($^2H$) é cerca de 0,015% do hidrogênio natural, então há uma quantidade imensa dele somente na água do mar. Além da abundância de combustível de deutério, essas reações de fusão produzem grandes energias por reação (entre parênteses), mas não produzem muito lixo radioativo. O trítio ($^3H$) é radioativo, mas é consumido como combustível (a reação$^2H + ^3H \rightarrow ^4He + n$), e os nêutrons e$\gamma$ s podem ser protegidos. Os nêutrons produzidos também podem ser usados para criar mais energia e combustível em reações como

$$n + ^1H \rightarrow ^2H + \gamma \, \space (20.68 \, MeV)$$ e

$$n + ^1H \rightarrow ^2H + \gamma \, \space (2.22 \, MeV).$$

Observe que essas duas últimas reações colocam$^2H + ^2H \rightarrow ^4He + \gamma$ a maior parte de sua produção de energia no$\gamma$ raio, e essa energia é difícil de utilizar.

As três chaves para a geração prática de energia de fusão são atingir as temperaturas necessárias para tornar as reações prováveis, aumentar a densidade do combustível e confiná-lo por tempo suficiente para produzir grandes quantidades de energia. Esses três fatores — temperatura, densidade e tempo — se complementam e, portanto, uma deficiência em um pode ser compensada pelos outros. A ignição é definida para ocorrer quando as reações produzem energia suficiente para serem autossustentáveis após o corte da entrada externa de energia. Essa meta, que deve ser alcançada antes que as plantas comerciais possam se tornar realidade, não foi alcançada. Outro marco, chamado de ponto de equilíbrio, ocorre quando a potência de fusão produzida é igual à entrada de energia de aquecimento. O ponto de equilíbrio está quase alcançado e dá esperança de que usinas comerciais e de ignição possam se tornar realidade em algumas décadas.

Duas técnicas têm se mostrado bastante promissoras. O primeiro deles é chamado de confinamento magnético e usa a propriedade de que partículas carregadas têm dificuldade em cruzar as linhas do campo magnético. O tokamak, mostrado na Figura, tem se mostrado particularmente promissor. A bobina toroidal do tokamak confina as partículas carregadas em um caminho circular com uma torção helicoidal devido aos próprios íons circulantes. Em 1995, o reator de teste de fusão Tokamak em Princeton, nos EUA, atingiu temperaturas de plasma recordes mundiais de até 500 milhões de graus Celsius. Esta instalação operou entre 1982 e 1997. Um esforço internacional conjunto está em andamento na França para construir um reator do tipo tokamak que será o trampolim para a energia comercial. O ITER, como é chamado, será um dispositivo em grande escala que visa demonstrar a viabilidade da energia de fusão. Ele gerará 500 MW de energia por longos períodos de tempo e alcançará condições de equilíbrio. Ele estudará plasmas em condições semelhantes às esperadas em uma usina de fusão. A conclusão está prevista para 2018.

Figura$\PageIndex{8}$: (a) Representação artística do ITER, um reator de fusão do tipo tokamak que está sendo construído no sul da França. Espera-se que essa máquina gigantesca alcance o ponto de equilíbrio. A conclusão está prevista para 2018. (crédito: Stephan Mosel, Flickr)

A segunda técnica promissora visa vários lasers em pequenos grânulos de combustível preenchidos com uma mistura de deutério e trítio. Uma enorme entrada de energia aquece o combustível, evaporando o pellet confinante e triturando o combustível até alta densidade com o plasma quente em expansão produzido. Essa técnica é chamada de confinamento inercial, porque a inércia do combustível impede que ele escape antes que uma fusão significativa possa ocorrer. Densidades mais altas foram alcançadas do que com tokamaks, mas com tempos de confinamento menores. Em 2009, o Laboratório Lawrence Livermore (CA) concluiu um dispositivo de fusão a laser com 192 feixes de laser ultravioleta focados em uma pastilha D-T (veja a Figura).

Figura$\PageIndex{9}$: Instalação Nacional de Ignição (CA). Esta imagem mostra um compartimento de laser onde 192 feixes de laser se concentrarão em um pequeno alvo D-T, produzindo fusão. (crédito: Laboratório Nacional Lawrence Livermore, Lawrence Livermore National Security, LLC e Departamento de Energia)

Exemplo$\PageIndex{1}$: Calculating Energy and Power from Fusion

(a) Calcule a energia liberada pela fusão de uma mistura de 1,00 kg de deutério e trítio, que produz hélio. Existem números iguais de núcleos de deutério e trítio na mistura.

(b) Se isso ocorrer continuamente durante um período de um ano, qual é a potência média de produção?

Estratégia

De acordo com$^2H + ^3H \rightarrow ^4He + n$, a energia por reação é de 17,59 MeV. Para encontrar a energia total liberada, precisamos encontrar o número de átomos de deutério e trítio em um quilograma. O deutério tem uma massa atômica de cerca de 2 e o trítio tem uma massa atômica de cerca de 3, totalizando cerca de 5 g por mol de reagentes ou cerca de 200 mol em 1,00 kg. Para obter um valor mais preciso, usaremos as massas atômicas do Apêndice A. A potência de saída é melhor expressa em watts e, portanto, a produção de energia precisa ser calculada em joules e depois dividida pelo número de segundos em um ano.

Solução para (a)

A massa atômica do deutério ($^2H$) é 2,014102 u, enquanto a do trítio ($^3H$) é 3,016049 u, totalizando 5,032151 u por reação. Portanto, um mol de reagentes tem uma massa de 5,03 g, e em 1,00 kg há$(100 \, g)/(5.03 \, g/mol) = 198.8$ mol de reagentes. O número de reações que ocorrem é, portanto,

$$(198.8 \, mol)(6.02 \times 10^{23} mol^{-1}) = 1.20 \times 10^{26} \, reactions.$$

A produção total de energia é o número de reações vezes a energia por reação:

$$E = (1.20 \times 10^{26} \, reactions)(17.59 \, MeV/reaction)(1.602 \times 10^{-13} \, J/MeV)$$

$$= 3.37 \times 10^{14} \, J.$$

Solução para (b)

Potência é energia por unidade de tempo. Um ano tem$3.16 \times 10^7 \, s$, então

$$P = \dfrac{E}{t} = \dfrac{3.37 \times 10^{14} \, J}{3.16 \times 10^7 \, s}$$

$$= 1.07 \times 10^7 \, W = 10.7 \, MW.$$

Discussão

Até agora, esperamos que os processos nucleares produzam grandes quantidades de energia, e não estamos decepcionados aqui. A produção de energia$3.37 \times 10^{14} \, J$ da fusão de 1,00 kg de deutério e trítio equivale a 2,6 milhões de galões de gasolina e cerca de oito vezes a produção de energia da bomba que destruiu Hiroshima. No entanto, a piscina média do quintal tem cerca de 6 kg de deutério, de modo que o combustível é abundante se puder ser utilizado de forma controlada. A potência média em um ano é superior a 10 MW, impressionante, mas um pouco pequena para uma usina comercial. Cerca de 32 vezes essa potência permitiria a geração de 100 MW de eletricidade, assumindo uma eficiência de um terço na conversão da energia de fusão em energia elétrica.

Resumo

• A fusão nuclear é uma reação na qual dois núcleos são combinados para formar um núcleo maior. Ele libera energia quando os núcleos de luz são fundidos para formar núcleos de massa média.
• A fusão é a fonte de energia nas estrelas, com o ciclo próton-próton, $$^1H + ^1H \rightarrow ^2H + e^+ + \nu_e \, \space (0.42 \, MeV)$$ $$^1H + ^2H \rightarrow ^3He + \gamma \, \space (5.49 \, MeV)$$ $$^3H + ^3H \rightarrow ^4He + ^1H + ^1H \, \space (12.86 \, MeV)$$ sendo a principal sequência de reações produtoras de energia em nosso Sol.
• O efeito geral do ciclo próton-próton é $$2e^- + 4^1H \rightarrow ^4He + 2\nu_e + 6 \gamma \, \space (26.7 \, MeV),$$ onde os 26,7 MeV incluem a energia dos pósitrons emitidos e aniquilados.
• As tentativas de utilizar a fusão controlada como fonte de energia na Terra estão relacionadas ao deutério e ao trítio, e as reações desempenham papéis importantes.
• A ignição é a condição sob a qual a fusão controlada é autossustentável; ela ainda não foi alcançada. O ponto de equilíbrio, no qual a produção de energia de fusão é tão grande quanto a entrada externa de energia, quase foi alcançado.
• O confinamento magnético e o confinamento inercial são os dois métodos desenvolvidos para aquecer o combustível a temperaturas suficientemente altas, com densidade suficiente e por períodos suficientemente longos para obter a ignição. O primeiro método usa campos magnéticos e o segundo método usa o momento de colisão de feixes de laser para confinamento.

Glossário

ponto de equilíbrio

quando a energia de fusão produzida é igual à potência de aquecimento de entrada

ignição

quando uma reação de fusão produz energia suficiente para ser autossustentável após o corte da entrada externa de energia

confinamento inercial

uma técnica que direciona vários lasers para pequenos grânulos de combustível, evaporando-os e triturando-os até alta densidade

confinamento magnético

uma técnica na qual partículas carregadas ficam presas em uma pequena região devido à dificuldade em cruzar as linhas do campo magnético

fusão nuclear

uma reação na qual dois núcleos são combinados ou fundidos para formar um núcleo maior

ciclo próton-próton

as reações combinadas$^1H + ^1H \rightarrow ^2H + e^+ + \nu_e$$^1H + ^2H \rightarrow ^3He + \gamma$, e$^3He + ^3He \rightarrow ^4He + ^1H + ^1H$