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5. Fusão Nuclear
Hinrichs, R.A.; Kleinbach, M. “Energia e Meio Ambiente”,
Pioneira Thomson Learning, SP, 2003.
As reservas mundiais de petróleo e gás natural, nesta ordem,
sofrerão grandes declínios neste século, caso seja mantida a atual
taxa de uso. O carvão e o urânio têm vidas mais longas, mas as
questões ambientais e econômicas dificultam um crescimento na
sua utilização.
Há essencialmente duas opções a
longo prazo: uma é a energia solar,
que nós separamos em energias
renováveis radiantes solar, eólica,
hidroelétrica e biomassa; a outra é
a fusão nuclear, que alguns
consideram ser a nossa fonte
definitiva de energia.
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[Cristóvão R M Rincoski] p. 121
Fusão Nuclear: é o processo no qual dois ou mais núcleos atômicos
se juntam e formam um outro núcleo de maior número atômico.
Ex.: reação de fusão do deutério com trítio
2
1
D + 31T → 24 He + n + energia
O deutério é um elemento que pode ser encontrado na água comum
(1 deutério para cada 6.500 átomos de hidrogênio). Como
mostrado acima o deutério possui um núcleo com 1 próton e 1
nêutron (Z = 1 e A = 2).
Fusão
0,6 toneladas
1 pickup
Fissão
150 toneladas de Urânio
8 caminhões grandes
Óleo
10 milhões de barris
7 navios supertanques
Carvão
2,1 milhões de toneladas
191 trens com 110 carros cada um
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[Cristóvão R M Rincoski] p. 122
A fusão completa de 1 g de deutério irá liberar a energia equivalente
à queima de 9.250 litros de gasolina.
A energia liberada na fusão completa de deutério presente em
1 km3 de água, é equivalente a aproximadamente 2 trilhões de
barris de petróleo, o que corresponde a aproximadamente duas
vezes as reservas de petróleo totais, calculadas, da Terra.
A extração do deutério, da água, não é muito difícil ou cara, de forma
que o combustível para a fusão de deutério é essencialmente infinito
e extremamente barato.
Outra vantagem da fusão é a potencial redução da poluição
ambiental. Os produtos finais da reação de fusão são hidrogênio,
hélio e nêutrons, de forma que não temos que nos preocupar com
resíduos radioativos duradouros dos reatores de fusão, embora haja
algumas partes radioativas do reator que merecem atenção.
Ademais, nenhum material que possa ser utilizado na fabricação de
bombas poderá ser produzido em reatores de fusão, e o
aquecimento global não será uma preocupação.
A fusão nuclear requer muita energia para acontecer, e geralmente
liberta muito mais energia que consome.
[Cristóvão R M Rincoski] p. 123
Quando ocorre com elementos mais leves que o ferro e o níquel
(que possuem as maiores forças de coesão nuclear de todos os
átomos, sendo portanto mais estáveis) ela geralmente liberta
energia, e com elementos mais pesados ela consome.
Até hoje, início do século XXI, o homem ainda não conseguiu
encontrar uma forma de controlar a fusão nuclear como acontece
com a fissão.
1) Um Reator de Fusão Conhecido: o Sol
O principal tipo de fusão que ocorre no interior das estrelas é o
de Hidrogênio em Hélio, onde dois prótons se fundem em uma
partícula alfa (um núcleo de hélio), liberando dois pósitrons, dois
neutrinos e energia. Mas dentro desse processo ocorrem várias
reações individuais, que variam de acordo com a massa da estrela.
Para estrelas do tamanho do nosso Sol ou menores, a cadeia
próton-próton é a reação dominante. Em estrelas mais pesadas,
predomina o ciclo CNO (ciclo Carbono − Nitrogênio − Oxigênio).
Vale ressaltar que há conservação da energia, e, portanto, pode-se
calcular a massa dos prótons e o núcleo de hélio, e subtrair a soma
das massas das partículas iniciais daquela do produto desta reação
nuclear para calcular a massa/energia emitida.
[Cristóvão R M Rincoski] p. 124
Um outro exemplo: a fusão de poucos cm3 de deutério, um isótopo
de hidrogênio, produziria uma energia equivalente àquela produzida
pela queima de 20 toneladas de carvão.
2) Reações de Fusão Mais Conhecidas
As reações de fusão mais conhecidas na Terra, utilizam núcleos
de deutério, D, e trítio, T (isótopo do hidrogênio que possui um
próton e dois nêutrons).
2
1
D + 12D → 31T + p + 3,3 MeV
2
1
D + 12D → 23He + n + 4,0 MeV
2
1
D + 31T → 24He + n + 17,6 MeV
2
1
D + 23He → 24He + p + 18,3 MeV
Na reação D−T, está concentrada a maioria das pesquisas para
protótipos de reatores de fusão, pois ela apresenta uma temperatura
de “ignição” mais baixa do que qualquer outra reação
(aproximadamente 50 × 106 0C) e é menos exigente no que diz
respeito às condições necessárias para se atingir um fornecimento
líquido de potência.
[Cristóvão R M Rincoski] p. 125
Ignição de um reator: condição na qual a energia utilizada para
operar o reator é no mínimo igual a retirada do reator, de forma autosustentada. Isto é,
Eempregada no reator ≤ Eretirada do reator
Onde “o igual” é a condição de “breakeven” do reator, quando ele
deixa de ser um protótipo e passa a ser chamado de reator. E “o
menor” significa que estamos obtendo mais energia do reator do que
estamos gastando com ele (esta é a condição de operação de um
reator para produção de energia elétrica) − neste caso estamos
obtendo um fornecimento líquido de energia.
3) Condições para a Fusão
Um dos obstáculos para a fusão nuclear é a força elétrica de
repulsão entre os núcleos positivos (D−T). Esta força deve seguir a
Lei de Coulomb da eletrostática
q q
FE = k E 1 2 2
r
Para poder superar esta repulsão, os núcleos têm de possuir
energias cinéticas altas, que só são possíveis se estiverem a
temperaturas da ordem de 50 × 106 0C a 100 × 106 0C.
[Cristóvão R M Rincoski] p. 126
Embora a reação de fusão possa parecer simples, seu uso para a
liberação controlada de energia representa alguns problemas
científicos e tecnológicos sérios. Considere as exigências:
a) Devem ser atingidas temperaturas muito altas, de modo que a
energia cinética dos núcleos sejam suficientes para superar a
repulsão coulombiana entre eles. A altas temperaturas, o gás se
decomporá em elétrons livres e núcleos positivos. Este gás ionizado,
com um número igual de cargas positivas e negativas, é chamado
de plasma.
Ex.: Sol, lâmpada fluorescente, chama de vela, etc.
O Sol é um reator de fusão natural.
[Cristóvão R M Rincoski] p. 127
b) O confinamento do plasma é difícil. À medida que a temperatura
de uma gás aumenta, seu volume ou sua pressão (ou ambos) tem
que aumentar. Assim, o gás deve ser limitado a um volume fixo para
permitir que os núcleos se aproximem o bastante para fundirem.
c) São necessárias altas densidades porque, para que ocorra uma
liberação suficiente de energia por fusão, um grande número de
núcleos deve reagir.
d) A energia de fusão liberada deve ser convertida em uma forma
útil, como a eletricidade.
Há dois parâmetros-chave que determinam se uma reação de fusão
terá uma produção líquida de energia:
1o) Critério de Lawson: caracteriza a qualidade do confinamento do
plasma, determina que só pode haver energia líquida liberada
quando o produto da densidade do plasma (partículas por metro
cúbico − n) pelo tempo de confinamento do plasma, isto é, da
energia (em segundos − τE) seja
n τ E ≥ 10 20 s / m 3 (para reação D-T)
[Cristóvão R M Rincoski] p. 128
2o) Temperatura do plasma: são necessárias temperaturas maiores
do que 100.000.000 0C para que ocorra a ignição.
Resumindo
Uma substancial barreira de energia deve ser vencida antes que
a fusão possa ocorrer. A grandes distâncias, os dois núcleos
expostos se repelem mutuamente devido à força eletrostática que
atua entre seus prótons positivamente carregados (repulsão
coulombiana).
1o) Quando um nucleon tal como o próton ou nêutron é adicionado a
um núcleo, ele é atraído pelos outros nucleons, mas principalmente
por seus vizinhos imediatos devido à força de curto alcance. Isto é,
quando este nucleon já venceu a repulsão coulombiana e se
encontra dentro do alcance nuclear (força nuclear forte que mantém
os nucleons ligados no núcleo) ≅ 10-15 m.
Os nucleons no interior do núcleo têm mais vizinhos do que aqueles
na sua superfície. Desde que núcleos menores têm uma grande
razão de superfície para volume, a energia de ligação por nucleon
devido à força nuclear forte geralmente aumenta como o aumento do
tamanho do núcleo, mas atinge um valor limite que corresponde à
vizinhança do nucleon totalmente preenchida.
[Cristóvão R M Rincoski] p. 129
2o) A força eletrostática, por outro lado, é uma força proporcional ao
inverso do quadrado da distância; então, um próton adicionado ao
núcleo ira sentir uma repulsão eletrostática de todos os prótons no
núcleo. A energia eletrostática por nucleon devido à força
eletrostática irá portanto aumentar independentemente do tamanho
do núcleo.
O resultado combinado destas duas forças opostas é que a energia
de ligação por nucleon geralmente aumenta com o aumento de
tamanho do átomo, para elementos até com núcleo do tamanho de
ferro e níquel, e diminui para núcleos mais pesados.
Existem vário esquemas para o confinamento do plasma. No Sol, o
plasma é confinado pelo efeito gravitacional. Na Terra, temos de
utilizar outros métodos: basicamente por campos magnéticos e pelo
confinamento inercial.
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4) Esquemas de Confinamento Magnético
I) Espelhos Magnéticos
II) Tokamaks
III) Toróides Compactos (RFPs, Esferomaks, etc.)
I) Espelhos Magnéticos
bobina 1
i
i
plasma
bobina 2
i
i
Um espelho magnético é uma configuração
de campo magnético, onde a intensidade do
campo varia quando a partícula se move no
campo magnético em questão. O resultado
do efeito do espelho magnético é que a
tendência da partícula carregada retornar
das regiões onde o campo é mais intenso.
Espelhos Magnéticos → um dos primeiros esquemas de
confinamento magnético criado. As partículas carregadas ficam
aprisionadas no campo magnético podendo refletir nas
extremidades. A perda de confinamento se dá quando as
partículas carregadas que possuem muita energia cinética
conseguem escapar pelas extremidades onde deveriam ser
refletidas (fenômeno similar ao que ocorre nas Auroras
terrestres).
[Cristóvão R M Rincoski] p. 131
II) Tokamaks
http://physicsworld.com/
O protótipo de reator nuclear: Tokamak.
Tokamak(s) → um acrônimo do russo para “câmara toroidal com
bobina magnética”. Esquema de confinamento magnético para
partículas carregadas (também chamadas de plasma). As partículas
carregadas ficam confinadas nas linhas de campo magnético
toroidais. Estas não apresentam extremidades livres como no
espelho magnético. As perdas de confinamento vem da expansão do
plasma, que acaba tocando nas paredes do tokamak. Existem outras
formas de perdas de confinamento que envolvem instabilidades do
próprio plasma, o fato de que não podemos criar indefinidamente
campos magnéticos variáveis.
[Cristóvão R M Rincoski] p. 132
III) Toróides Compactos
Toróides Compactos → raio menor
toroidal
muito
pequeno,
quase
inexistente, razão entre os raios menor e
maior muito baixa − razão de aspecto
(ex.: esferomaks e FRC − Field Reversed
Configurations, ver figuras a seguir). São
máquinas que associam o confinamento
de partículas em campos toroidais com a
simplicidade de não possuírem um núcleo
central. Perda de confinamento: os
mesmos tipos que para tokamaks.
http://evfita.ita.br/evfita2008/local_arquivos/Edson Del Bosco - III EVFITA.pdf
http://www.plasma.inpe.br/LAP_Portal/LAP_Sitio/Texto/
Toroide_Esferico.htm
[Cristóvão R M Rincoski]
p. 133
Aurora Boreal
Quando uma grande erupção solar lança elétrons e prótons
altamente energéticos no cinturão de radiação (Cinturão de Van
Allen), produz-se um campo elétrico nas regiões de retorno (pólo
Norte ou Sul da Terra). Este campo elimina a reflexão e faz com que
elétrons (e outras partículas carregadas) se desloquem para a
atmosfera, onde colidem com os átomos e moléculas da atmosfera,
forçando a emissão de luz (toda partícula carregada acelerada ou
desacelerada emite luz).
http://www.apolo11.com/spacenews.php?posic=
http://pt.wikipedia.org/wiki/Cinturão_de_Van_Allen
dat_20060810-090738.inc
http://pt.wikipedia.org/wiki/Aurora_polar
[Cristóvão R M Rincoski] p. 134
5) Confinamento Inercial
Fusão induzida por Laser. Outro método que está sendo
estudado para na fusão nuclear é o confinamento inercial. Neste
caso não há nenhum confinamento externo do plasma.
Sabemos que à medida em que um gás sofre um aumento de
temperatura, ele geralmente se expande. Entretanto, se o
aquecimento for feito de forma muito rápida, a fusão pode ocorrer
antes que as partículas do plasma possam se distanciar. E o
combustível é confinado durante este breve tempo pela inércia de
sua própria massa.
http://evfita.ita.br/evfita2008/local_arquivos/Edson Del Bosco - III EVFITA.pdf
[Cristóvão R M Rincoski] p. 135
Neste caso o aquecimento pode ser feito com um feixe de laser
muito intenso, levando ao que é chamado de “fusão induzida por
laser”.
Comparação entre as condições obtidas para fusão por
confinamento magnético e por confinamento inercial.
http://evfita.ita.br/evfita2008/local_arquivos/Edson Del Bosco - III EVFITA.pdf
[Cristóvão R M Rincoski] p. 136
A bomba de hidrogênio, que também libera energia através da
fusão, é acionada por uma bomba “atômica” de fissão. Este é um
exemplo, terrível, de “confinamento inercial”, no qual o combustível é
comprimido pela explosão de um dispositivo de fissão.
Primeira bomba de hidrogênio detonada pelo
homem. http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_fusion
FIM
[Cristóvão R M Rincoski] p. 137