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Reator de Fusão Nuclear

Química

Um reator de fusão nuclear trará muitos benefícios, como uma extraordinária energia gerada, a não produção de rejeitos nucleares, além de matérias-primas de fácil obtenção.
Imagem do interior de um reator nuclear a fusão do tipo Tokamak, local onde fica confinado o plasma [1]
Imagem do interior de um reator nuclear a fusão do tipo Tokamak, local onde fica confinado o plasma [1]
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As reações nucleares de fusão são aquelas que ocorrem no interior das estrelas, tais como o nosso sol, em que dois núcleos atômicos menores se unem para dar origem a um núcleo atômico maior e mais estável. Abaixo temos um mecanismo desse tipo de reação que ocorre no Sol, entre hidrogênios, dando origem ao hélio:

Possível reação de fusão de hidrogênios que ocorre no Sol
Possível reação de fusão de hidrogênios que ocorre no Sol

Mas o aspecto mais importante desse tipo de reação nuclear é a quantidade de energia liberada. Para se ter uma ideia, a fusão de apenas 2 . 10-9% do deutério (hidrogênio com um nêutron e um próton no núcleo) forneceria uma quantidade de energia que seria suficiente para sustentar a demanda de energia do mundo inteiro durante um ano!

É por isso que o sonho de muitos cientistas é conseguir aproveitar a energia liberada em reações de fusão. Os reatores usados atualmente em usinas nucleares são de fissão nuclear, que é o processo contrário à fusão e que produz uma quantidade menor de energia.

A fusão sem controle já foi usada na bomba de hidrogênio ou termonuclear, no ano de 1952, lançada pelos Estados Unidos em um atol do Pacífico. Essa bomba foi apelidada de “Mike” e possuía uma potência 700 vezes maior que a bomba de Hiroshima.

Além da grande quantidade de energia liberada, outras vantagens de se usar a fusão nuclear para gerar energia são que os materiais usados nessas reações são de fácil obtenção, pois o deutério é encontrado nas moléculas de água, o trítio (isótopo do hidrogênio que possui um próton e dois nêutrons no núcleo) pode ser obtido por meio do lítio, e o lítio é um metal encontrado na natureza.

Outro fator é que, ao contrário da fissão nuclear, os produtos da fusão não são radioativos, sendo, portanto, considerada um tipo de energia “limpa” que não causa alterações no meio ambiente.

Mas para ser usada para gerar energia, deve ser uma reação controlada e para tal existem ainda alguns empecilhos:

  • Para que a fusão seja efetiva, são necessárias altas temperaturas, como acontece no Sol, que possui regiões com temperaturas na ordem de 100 milhões de graus Celsius! Essa grande quantidade de energia é necessária para vencer a força de repulsão decorrente das cargas positivas dos núcleos que irão se unir.

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Atualmente, isso é conseguido por meio da energia liberada na reação de fissão controlada de uma bomba atômica, que serve de estopim para a reação de fusão nuclear.

  • Outro problema que surge é: como trabalhar de maneira controlada com materiais a milhares de graus Celsius? Que materiais poderiam ser usados para construir o reator que aguentariam temperaturas tão elevadas?

  • Há também a necessidade de um rápido escoamento da energia liberada na reação de fusão.

As pesquisas nessa área têm levado a um tipo de reator denominado de Tokamak, que é usado hoje apenas para pesquisas. O mais famoso é o que fica em Princeton, Estados Unidos, e que funciona com uma temperatura de 100 milhões de graus Celsius. Abaixo temos o Tokamak COMPASS no IPP apresentado em Praga, República Checa, durante a Semana da Ciência e Tecnologia organizada pela Academia de Ciências da República Checa, em 02 de novembro de 2012:

Tokamak COMPASS no IPP apresentado em Praga
Tokamak COMPASS no IPP apresentado em Praga[2]

Nesses reatores é produzido um campo magnético extremamente forte. Gases de deutério e trítio são injetados e aquecidos a milhares de graus Celsius para reagirem. Visto que há a passagem de corrente elétrica e a geração de fortes campos magnéticos, forma-se um plasma, que fica em um tubo no interior do reator, não entrando em contato com as suas paredes.

O selo acima, impresso na URSS, mostra um dispositivo de fusão termonuclear tokamak por volta de 1987
O selo acima, impresso na URSS, mostra um dispositivo de fusão termonuclear tokamak por volta de 1987[3]

No entanto, até o momento, ainda não foi descoberto um meio de obtenção de energia útil de um reator desse tipo, pois a energia gasta para ativar o campo magnético onde o plasma fica confinado ainda é maior que a energia obtida na fusão dentro do reator.

* Créditos das imagens:

[1] Autor: Mike Garrett/Wikimedia Commons
[2] Nataliya Hora/ Shutterstock.com
[3]  Jim Pruitt/Shutterstock.com


Por Jennifer Fogaça
Graduada em Química

Gostaria de fazer a referência deste texto em um trabalho escolar ou acadêmico? Veja:

FOGAçA, Jennifer Rocha Vargas. "Reator de Fusão Nuclear"; Brasil Escola. Disponível em <https://brasilescola.uol.com.br/quimica/reator-fusao-nuclear.htm>. Acesso em 14 de novembro de 2018.

Lista de Exercícios
Questão 1

(Unimontes-MG) No sol, ocorre a combinação de isótopos do hidrogênio para formar hélio, com subsequente liberação de grande quantidade de energia. A equação dessa reação pode ser representada assim:

1H2 + 1H3 →  2 He4 + 0n1

Reação desse tipo ocorre, por exemplo, na explosão da bomba de hidrogênio. Considerando as informações dadas e as características da referida reação, todas as alternativas estão corretas, exceto

a) A reação nuclear é altamente exotérmica.

b) O novo núcleo é formado através da fusão.

c) A energia liberada pode ser convertida em energia elétrica.

d) A fissão nuclear de isótopos do hidrogênio produz nêutrons.

Questão 2

As reações nucleares de fusão são aquelas que ocorrem no interior das estrelas, tais como as que acontecem no sol, nas quais dois núcleos atômicos menores unem-se para dar origem a um núcleo atômico maior e mais estável. O aspecto mais importante desse tipo de reação nuclear é a quantidade de energia liberada. Para ter-se uma ideia, a fusão de apenas 2 . 10-9% do deutério (hidrogênio com um nêutron e um próton no núcleo) forneceria uma quantidade de energia que seria suficiente para sustentar a demanda de energia do mundo inteiro durante um ano. Baseando-se nessas informações, qual das equações abaixo representa um processo de fusão nuclear?

a) 92U235 + 0n1 → 56Ba142 + 36Kr91 + 3 0n1

b) 1H2 + 1H3 → 2 He4 + 0n1

c) 7N14 + 2→4 → 8O17 + 1H1

d) 4Be9 + 2→4 → 6C12 + 0n1

e) 92U238 → 2→4 + 90Th234

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