Fusão nuclear

A fusão nuclear une núcleos leves para formar núcleos mais pesados. Para elementos suficientemente leves, os produtos podem ficar mais fortemente ligados por nucleão e a reação liberta energia. A dificuldade central é aproximar núcleos com carga positiva o suficiente para que a força nuclear de curto alcance possa atuar.

A barreira de Coulomb

Dois núcleos positivos repelem-se eletricamente. Uma temperatura mais elevada aumenta as energias cinéticas típicas dos iões e o número de encontros próximos, mas não elimina a barreira. O tunelamento quântico é essencial: existe uma probabilidade finita de atingir distâncias de fusão mesmo quando a energia clássica está abaixo do topo da barreira eletrostática.

A temperatura elevada ajuda, mas o tunelamento continua a fazer parte da física. A fusão só ocorre quando os núcleos se aproximam a distâncias extremamente pequenas.

Uma reação de referência: deutério e trítio

Uma reação de laboratório muito estudada é ²H + ³H → ⁴He + n. Liberta cerca de 17,6 MeV: aproximadamente 3,5 MeV vão para o núcleo de hélio e 14,1 MeV para o neutrão. O neutrão é neutro e, por isso, não fica magneticamente confinado juntamente com o plasma carregado.

A fusão liberta energia quando desloca núcleos leves para produtos mais fortemente ligados. «Juntar núcleos», por si só, não é a razão da libertação.

Temperatura, densidade e confinamento contam em conjunto

Um plasma de fusão tem de conter iões reagentes suficientes, com uma distribuição de energias adequada, durante tempo suficiente para que a produção de fusão possa competir com as perdas de energia. Esta é a lógica do critério de Lawson e de medidas relacionadas como o produto triplo. Uma temperatura espetacular, por si só, não demonstra que o plasma esteja a produzir energia líquida.

Estrelas e plasmas de laboratório não são o mesmo caso

O Sol é confinado pela gravidade e converte principalmente hidrogénio em hélio através da cadeia protão-protão. A investigação terrestre em fusão concentra-se frequentemente noutras reações e utiliza confinamento magnético ou compressão rápida. As soluções de engenharia são diferentes, mas a física básica permanece: têm de ocorrer encontros nucleares próximos em número suficiente antes de o plasma perder a sua energia útil.

Exemplos resolvidos

1. Verificar o balanço de nucleões

Para ²H + ³H → ⁴He + n, os números de massa dão 2 + 3 = 5 à esquerda e 4 + 1 = 5 à direita. A carga também se conserva: 1 + 1 = 2 + 0.

2. Porque não basta a temperatura?

A temperatura descreve a distribuição de energia dos iões, mas o rendimento de fusão também depende da densidade e do tempo de confinamento. Um plasma muito quente, mas extremamente rarefeito e de curta duração, pode ainda produzir pouca fusão.

3. Usar um valor Q

Se uma reação tiver um defeito de massa de 0,010 u e 1 u·c² ≈ 931,5 MeV, então Q ≈ 0,010×931,5 = 9,32 MeV.