Fusão nuclear: A ciência por trás da transformação da água em eletricidade

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Você já se perguntou por que o sol brilha? Será que podemos usar o mesmo mecanismo para produzir energia aqui na Terra? A resposta para essas perguntas é fusão nuclear!

Earthly admirando o Sol

O que é fusão nuclear?

Em capítulos anteriores, discutimos a fissão nuclear - dividir um grande átomo em núcleos menores liberando energia. A fusão nuclear é o oposto. Combina dois átomos menores e junta-os em um.

Por que a fusão seria uma grande fonte de energia

Quais destes você acha que são benefícios da fusão nuclear? Escolha 4:


Se a divisão de átomos libera energia, como pode a junção de átomos também liberar energia?

A divisão de átomos (fissão) demanda elementos pesados (elementos que possuem muitos prótons e neutrons) enquanto a junção de átomos (fusão) utiliza elementos leves. Por que? Pois, para elementos mais leves do que o ferro (26 prótons), a fusão libera energia e a fissão consome energia. Para elementos mais pesados do que ferro, o contrário acontece.

Potencial de Fusão / Fissão

Então, para átomos grandes como o urânio, obtemos energia a partir da divisão, mas precisamos de muita energia para unir os átomos. Em contraste, a junção de elementos mais leves nos fornece energia!

A partir do gráfico acima, você consegue adivinhar qual elemento usaremos como exemplo?


Como funciona a fusão?

Poderíamos tentar fundir quaisquer dois elementos, mas falaremos da única reação específica de fusão que seria utilizada para gerar eletricidade.

Iremos nos referir aos elementos de acordo com o número de prótons e nêutrons que eles têm: "1p2n" é um núcleo com 1 próton e 2 nêutrons. Podemos esquecer os elétrons por enquanto - você verá o motivo mais adiante.

Juntar 1p1n com 1p2n forma o quê?


1p1n + 1p2n = 2p3n. MAS, 2p3n é um isótopo instável, o que significa que ele, naturalmente, em pouco tempo se divide e se transforma de 2p3n em 2p2n mais um nêutron extra e energia.

Fusão

O que são esses elementos? 1p0n é o hidrogênio "H". 1p1p1n e 1p2n, como usados para a fusão, são isótopos de hidrogênio chamados de Deutério e Trítio (eles têm o mesmo número de prótons, mas diferentes números de nêutrons):

Isótopos de Hidrogênio

E quanto ao resultado dessa reação? Seria ruim se 2p2n fosse algo perigoso, como resíduos nucleares.

Qual elemento é 2p2n?


Felizmente, o hélio não é perigoso - é o gás usado para encher balões. Agora que sabemos os elementos envolvidos, vamos ver a reação novamente:

Reação completa de fusão Deutério-Trítio

Por que isso libera energia?

Pode parecer estranho, mas o hélio somado a um nêutron tem menos massa que o deutério mais o trítio. Sim, de verdade! Ao recombinar o mesmo número de prótons e nêutrons em uma configuração diferente, todo o núcleo perde massa.

A massa perdida é convertida em energia, que é liberada na forma de calor e radiação eletromagnética. A famosa equação de Einstein (E = mc²) se aplica aqui, pois estamos transformando massa em energia.

Então por que não utilizamos a fusão para produzir energia?

No sol, a fusão ocorre devido à intensa pressão em seu núcleo causada pela gravidade. A temperatura chega a atingir 15.000.000°C!

A boa notícia é que podemos criar fusão na Terra. A má notícia é que é muito difícil.

Até hoje, todos os reatores de fusão usam mais energia do que produzem. Trata-se, naturalmente, de um problema: uma usina que consome mais energia do que produz é inútil.

A média de entrada e saída de energia é muitas vezes chamada de "Q". A fusão nuclear tem uma longa história, mas, até agora, não conseguimos fazer o Q chegar a 1:

Desempenho do Reator de Fusão

Como você pode ver nesse gráfico, estivemos muito perto de Q=1, mas depois deixaram de acontecer melhorias - por que? No próximo capítulo, vamos explorar o que significa o gráfico acima, descobrir o que impediu maiores progressos (até agora), e discutir o trabalho recente que visa atingir Q igual e maior que 10.

Próximo Capítulo