O que é fusão nuclear e quais suas possíveis aplicações?

Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos (SP)

A fusão nuclear é um processo no qual núcleos de átomos se fundem para formar novos elementos. É isso que ocorre no interior das estrelas – principalmente, com núcleos de átomos leves (com poucos prótons), como o hidrogênio e hélio, os elementos mais abundantes do universo.  

Núcleos atômicos têm prótons, partículas dotadas de carga elétrica (no caso, positiva). Por isso, tendem a se repelir, por causa da força elétrica – cargas iguais se repelem. Mas, quando esses núcleos estão em temperaturas da ordem de dezenas de milhões de graus, eles ganham energia suficiente para ficarem próximos, a ponto de outra força fundamental da natureza, a força nuclear forte, entrar em ação. É essa força atrativa que mantém os núcleos atômicos coesos, pois ela é cerca de 200 vezes mais intensa que a força elétrica. 

Quando ocorre a fusão nuclear, parte da massa inicial dos núcleos envolvidos nesse processo se transforma em energia, segundo a famosa equação do físico de origem alemã Albert Einstein (1879-1955), E = mc2, na qual ‘E’ é a energia; ‘m’, a massa; e ‘c’, a velocidade da luz (cerca de 300 mil km/s, no vácuo). Dessa forma, o processo de fusão libera imensas quantidades de energia, como pode ser observado nas estrelas. 

Uma das aplicações da fusão nuclear são as bombas termonucleares (ou bombas de hidrogênio), armas que, ao realizarem esse processo, geram altas temperaturas, permitindo que os núcleos se fundam e produzam altas energias, com grande poder de destruição.  Felizmente, armas como essas nunca foram usadas contra populações civis, como foi o caso das bombas atômicas lançadas sobre as cidades japonesas de Hiroshima e Nagasaki, em 1945 – esses artefatos eram baseados na ‘quebra’ (fissão) de núcleos pesados (com muitos prótons). 

Para se usar a energia da fusão nuclear de forma não destrutiva, é necessário que o processo seja controlado, como já vem sendo desenvolvido há décadas, por diferentes tecnologias. Mas, até agora, todos os métodos empregados gastaram mais energia para controlar o processo do que ele produziu, inviabilizando sua aplicação.  

Diferentemente das atuais usinas nucleares – nas quais se emprega a fissão nuclear, cujos detritos seguem emitindo radioatividade –, na fusão nuclear, os produtos da reação são átomos leves, como o deutério e trítio (formas ‘pesadas’ de hidrogênio) e o hélio. 

Qual a importância da fusão nuclear com saldo positivo de energia, feito inédito recentemente anunciado pelos EUA?

A câmara-alvo da National Ignition Facility do LLNL, onde 192 feixes de laser forneceram mais de 2 milhões de joules de energia ultravioleta a um minúsculo pellet de combustível para criar ignição por fusão em 5 de dezembro de 2022.

Nas últimas décadas, diversas técnicas têm sido desenvolvidas para realizar a fusão nuclear controlada. Uma delas é a fusão em plasma, na qual o gás de hidrogênio ou de deutério (hidrogênio ‘pesado’) são aquecidos a altas temperaturas, permitindo que ocorra a fusão dos núcleos atômicos.  

A técnica usada agora nos EUA empregou 192 lasers de alta potência para gerar uma ‘ignição nuclear’. Esse conjunto de feixes de luz foi apontado para átomos de deutério e trítio, comprimindo-os a densidades 1 mil vezes maiores que a da água e aquecendo-os a mais de 100 milhões de graus celsius, criando, assim, as condições de fusão nuclear. 

O resultado importante do grupo norte-americano do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LNLL) foi que essa reação produziu, por segundos, energia equivalente a 3 milhões de joules, sendo que só foram usados 2 milhões de joules pelos lasers que realizaram o processo. É a primeira vez que se obteve fusão nuclear com saldo positivo.  

Embora pareça muito, o ganho de 1 milhão de joules é equivalente a 240 kcal, a energia que adquirimos quando tomamos duas latinhas de cerveja. De fato, ocorreu uma prova de conceito, a qual indica que será possível, em médio ou longo prazo, desenvolver essa tecnologia para produzir energia em grandes escalas, a qual poderá substituir principalmente a energia gerada por combustíveis fósseis para a produção de eletricidade. 

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