fusão nuclear - Wikilingue - Encydia
Em física nuclear e química nuclear, a fusão nuclear é o processo pelo qual vários núcleos atómicos de ónus similar se unem para formar um núcleo mais pesado. Acompanha-se da libertação ou absorción de energia, que permite à matéria entrar em um estado plasmático.
A fusão de dois núcleos de menor massa que o ferro (que, junto com o níquel, tem a maior energia de enlace por nucleón) liberta energia em general, enquanto a fusão de núcleos mais pesados que o ferro absorve energia; e vice-versa para o processo inverso, fisión nuclear. No caso mais simples de fusão do hidrógeno, dois protones devem acercar-se o suficiente para que a interacção nuclear forte possa superar sua repulsión eléctrica mútua e obter a posterior libertação de energia.
A fusão nuclear produz-se de forma natural nas estrelas. A fusão artificial também se conseguiu em várias empresas humanas, ainda que ainda não tem sido totalmente controlada. Sobre a base dos experimentos de transmutación nuclear de Ernest Rutherford conduzidos em uns poucos anos dantes, a fusão de núcleos ligeiros (isótopos de hidrógeno) foi observada pela primeira vez por Mark Oliphant em 1932; os passos do ciclo principal da fusão nuclear nas estrelas posteriormente foram elaborados por Hans Bethe durante o resto dessa década. A investigação sobre a fusão para fins militares iniciou-se na década de 1940 como parte do Projecto Manhattan, mas não teve sucesso até 1952. A investigação sobre a fusão controlada com fins civis iniciou-se na década de 1950, e continua até este dia.
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Descrição geral
As reacções de fusão dão energia às estrelas e produzem todos os elementos, excepto os mais ligeiros, em um processo chamado nucleosíntesis. Ainda que a fusão dos elementos mais ligeiros nas estrelas liberta energia, a produção dos elementos mais pesados absorve energia.
Quando a reacção de fusão é uma corrente sustentada e fora de controle, pode resultar em uma explosão termonuclear, como a gerada por uma bomba de hidrógeno. As reacções que não são autosuficientes ainda podem libertar uma energia considerável, bem como um grande número de neutrones.
As investigações sobre a fusão controlada levam mais de 50 anos perseguindo o objectivo de obter energia de fusão para a produção de electricidade. Este processo tem estado repleto de extremas dificuldades científicas e tecnológicas, mas isto se traduziu em progresso. Na actualidade, as reacções equilibradas e controladas (autosuficientes) de fusão, não têm podido ser demonstradas nos poucos reactores de tipo tokamak que há no mundo.[1] Está previsto que em torno do ano 2018 entrem em funcionamento desenhos viables para um reactor que, teoricamente, gerará mais dez vezes energia da requerida para aquecer o plasma à temperatura necessária (ver ITER).
Precisa-se muita energia para forçar aos núcleos a fundir-se, inclusive os do elemento mais ligeiro, o hidrógeno. Isto se deve a que todos os núcleos têm um ónus positivo (devido a seus protones), e como o ónus iguais se repelen, os núcleos se resistem com força a que lhos ponha demasiado juntos. Acelerados a altas velocidades (isto é, aquecidos a temperaturas termonucleares), podem superar esta repulsión electromagnética e se acercar o suficiente para que a interacção nuclear forte seja o suficientemente forte como para conseguir a fusão. A fusão de núcleos mais ligeiros, que cria um núcleo mais pesado e um neutrón livre, em general liberta mais energia da que se precisa para forçar aos núcleos a se acercar; trata-se de uma reacção exotérmica que pode produzir reacções autosuficientes.
A energia libertada na maioria das reacções nucleares é muito maior que nas reacções químicas, porque a energia de enlace que mantém unido um núcleo é muito maior que a energia que mantém unido ao núcleo com um elétron. Por exemplo, a energia de ionización ganhada com a adição de um elétron a um átomo de hidrógeno é 13.6 elétron-volts—menos de uma millonésima dos 17 MeV libertada na reacção DT (deuterio-tritio), reacção que se mostra no diagrama da direita. As reacções de fusão têm uma densidade de energia muitas vezes maior que a fisión nuclear, isto é, as reacções produzem muita mais energia por unidade de massa apesar de que as reacções de fisión individuais são geralmente bem mais enérgicas que as reacções de fusão individuais, que a sua vez são milhões de vezes mais enérgicas que as reacções químicas. Só a conversão directa da massa em energia, como a causada pela colisão da matéria e a antimateria, é mais energética por unidade de massa que a fusão nuclear.
Requisitos
Dantes de que a fusão possa ter lugar, deve se superar uma importante barreira de energia produzida pela força electrostática. A grandes distâncias dois núcleos se repelen entre si devido à força de repulsión electrostática entre suas protones carregados positivamente. Se dois núcleos podem ser acercados o suficiente, no entanto, a repulsión electrostática pode-se superar devido à interacção nuclear forte, que é mais forte em distâncias curtas.
Quando se acrescenta um nucleón como um protón ou um neutrón a um núcleo, a força nuclear atrai a outros nucleones, mas principalmente a seus vizinhos imediatos, devido ao curto alcance desta força. Os nucleones no interior de um núcleo têm mais vizinhos nucleones que os da superfície. Já que os núcleos mais pequenos têm uma maior relação entre área de superfície e volume, a energia de enlace por nucleón devido à força nuclear pelo geral aumenta com o tamanho do núcleo, mas aproxima-se a um valor limite correspondente à de um núcleo com um diâmetro de cerca de quatro nucleones.
A força electrostática, por outra parte, é uma força inversa do quadrado da distância, de modo que um protón acrescentado a um núcleo sentirá uma repulsión electrostática de todos os outros protones no núcleo. A energia electrostática por nucleón, devido à força electrostática por tanto, aumenta sem limite quando os núcleos se fazem maiores.
O resultado neto destas forças opostas é que a energia de enlace por nucleón geralmente aumenta com o tamanho do núcleo, até chegar aos elementos ferro e níquel, e um posterior descenso para os núcleos mais pesados. Finalmente, a energia de enlace converte-se em negativa e os núcleos mais pesados (com mais de 208 nucleones, correspondentes a um diâmetro de ao redor de 6 nucleones) não são estáveis. Os quatro núcleos mais estreitamente unidos, em ordem decreciente de energia de enlace, são 62Nem, 58Fé, 56Fé, e 60Nem.[2] Apesar de que o isótopo de níquel, 62Nem, é mais estável, o isótopo de ferro 56Fé é uma ordem de magnitude mais comum. Isto se deve a uma maior taxa de desintegração de 62 Nem no interior das estrelas impulsionado pela absorción de fotones.
Uma notável excepção a esta tendência geral é o núcleo helio-4, cuja energia de enlace é maior que a do litio, o seguinte elemento mais pesado. O princípio de exclusão de Pauli proporciona uma explicação para este comportamento excepcional, que diz que como os protones e os neutrones são fermiones, não podem existir no mesmo estado. Helio-4 tem uma energia de enlace anormalmente grande como seu núcleo está formado por dois protones e dois neutrones, de maneira que seus quatro nucleones pode estar no estado fundamental. Qualquer nucleón adicionais teriam que ir em estados de energia superiores.
Confinamiento electrostático estável para fusão nuclear
Como se pode apreciar no desenho de abaixo se baseia no encerro total de iones de hidrógeno confinados electrostáticamente.
Os benefícios deste confinamiento são múltiplos:
1. A espessura da esfera de cobre anula a instabilidade produzida pelos erros de simetría. 2. A ionización do hidrógeno produz-se facilmente pelo campo eléctrico que absorve os elétrons sem diminuir a intensidade do campo eléctrico. 3. Pode-se obter um intenso campo eléctrico o que evitaria que os iones de hidrógeno escapem. 4. A energia consumida é menor que a que consome um reactor de fusão que produz um campo electromagnético para confinar os iones. A fusão nuclear consegue-se por médio de compressão-descompresión aumentando ou diminuindo a intensidade do campo eléctrico, isto se consegue aumentando ou diminuindo a velocidade do gerador de electricidade. O moderador de neutrones que se pode utilizar é o chumbo ainda que teria que provar sua eficácia. Ver desenho neste enlace: [1] E aqui [2] Mais informação aqui: [3]
Veja-se também
- Física nuclear
- Fisión nuclear
- Processos nucleares
- Reactores de fusão termonuclear por confinamiento magnético
Enlaces externos
Wikimedia Commons alberga conteúdo multimédia sobre Fusão nuclear.Commons
- O átomo e suas reacções
- Ciemat
- Energia nuclear: o poder do átomo
Notas e referências
- O conteúdo deste artigo incorpora material de uma entrada da Enciclopedia Livre Universal, publicada em espanhol baixo a licença Creative Commons Compartilhar-Igual 3.0.
