Biología

O que é fusão nuclear? – Definição e Processo

O que dá poder ao Sol?

Sem nosso sol, a vida na Terra não existiria. É a luz e o calor emitidos por ele que nos permitem prosperar em nosso planeta. No entanto, o próprio Sol, nossa estrela mais próxima, está a quase 93 milhões de milhas de distância da Terra. Para ser capaz de fornecer luz e calor até o nosso planeta e mesmo além dele, é necessária uma enorme quantidade de energia. O processo que abastece nosso sol e permite que ele libere tanta energia é chamado de fusão nuclear.

A fusão nuclear é uma reação em que dois núcleos atômicos se fundem para criar um núcleo maior e, no processo, liberar energia. Você pode ver uma reação de fusão como uma colisão de carro que você pode ver em um filme. Dois carros batem um no outro e ficam presos permanentemente enquanto pequenos pedaços deles voam em todas as direções. A fusão nuclear é quase a mesma onde os carros são núcleos atômicos e os pequenos pedaços são várias partículas e ondas emitidas.

Fusão nuclear nas estrelas

As principais fontes de fusão nuclear em nosso universo são estrelas como o nosso sol. Cada estrela no céu é alimentada por alguma forma de fusão nuclear, incluindo o ciclo de fusão do carbono, o processo triplo-alfa e o tipo de fusão que comumente ocorre em nosso Sol, a fusão próton-próton. As várias formas de fusão nuclear são diferenciadas pelos átomos iniciais que sofrem o processo e pelo átomo resultante da fusão.

A fusão nuclear ocorre em estrelas devido à pressão e temperatura extremamente altas em seus núcleos. No centro da estrela, o gás foi aquecido a ponto de se tornar um plasma. Em um plasma , os elétrons podem deixar seus átomos associados, criando um gás cheio de íons positivos e elétrons livres. A pressão é necessária para aproximar os átomos o suficiente para se fundir. A alta temperatura é necessária para superar a força de Coulomb entre os núcleos atômicos. A força de Coulomb é a força emitida por objetos devido à carga elétrica. Objetos com a mesma carga se repelem e objetos com cargas opostas se atraem.

Os núcleos atômicos sendo fundidos consistem em prótons e nêutrons. Como os prótons são carregados positivamente e os nêutrons não têm carga, todos os núcleos atômicos têm uma carga líquida positiva. Isso significa que eles se repelem e, em circunstâncias normais, não se fundem. Você já tentou tocar dois ímãs juntos com os mesmos pólos? Eles tentam se separar de maneira muito semelhante à que os dois núcleos carregados positivamente desejam na fusão atômica. São temperaturas extremamente altas que lhes dão a energia necessária para superar a força de Coulomb e se fundir.

O tipo de fusão nuclear que ocorre em uma estrela depende de sua massa e idade. A alta temperatura e pressão em uma estrela são causadas por sua própria gravidade empurrando para dentro dela. Quanto mais massiva for a estrela, maior será a pressão e a temperatura dentro dela. Os tipos de átomos que se fundem em uma estrela podem mudar dependendo de quão altas estão a temperatura e a pressão na estrela.

Em relação à idade, os átomos de uma estrela fundidos não são infinitos. Conforme a estrela envelhece, haverá cada vez menos desses átomos até que ela não possa mais suportar a fusão em grande escala deles. A fusão nas estrelas libera uma grande quantidade de energia que cria uma força de empuxo para fora, que é mantida em equilíbrio pela gravidade da estrela que empurra para dentro. Quando os átomos sendo fundidos estão acabando, a fusão fica mais lenta. Agora, a força da gravidade que empurra para dentro será maior do que a menor força externa criada pela fusão, e a estrela começará a entrar em colapso. Quando esse colapso acontece, o ambiente dentro da estrela pode mudar de tal forma que um novo tipo de fusão é iniciado, expandindo novamente a estrela.

Fusão Nuclear em nosso Sol

O principal tipo de fusão nuclear que ocorre em nosso Sol é conhecido como fusão próton-próton. Na fusão próton-próton , os átomos de hidrogênio são fundidos em várias etapas para eventualmente se tornar um átomo de hélio-4. Inicialmente, dois átomos de hidrogênio colidem formando um único átomo de deutério, um pósitron e um neutrino.

O deutério é um isótopo do hidrogênio. Um isótopo tem o mesmo número de prótons em seu núcleo que a forma padrão de seu elemento, mas um número diferente de nêutrons. Um pósitron é uma partícula com a mesma massa e magnitude de carga de um elétron, mas tem uma carga positiva em vez de negativa. Um neutrino é uma partícula sem carga com massa quase zero.

Na próxima etapa, o átomo de deutério se funde com um próton para formar um átomo de hélio-3 e emite um raio gama como resultado. Finalmente, o átomo de hélio-3 se funde com outro átomo de hélio-3 que foi criado no mesmo processo a partir de outros dois átomos de hidrogênio. Isso cria um resultado final de um único átomo de hélio-4 e dois prótons.

Deve-se notar que o único átomo de hélio-4 é mais leve do que os quatro átomos de hidrogênio que iniciaram esse processo para formá-lo. Então o que aconteceu com toda aquela massa extra dos átomos de hidrogênio com os quais começamos? Bem, é daí que obtemos a enorme quantidade de energia emitida pela fusão nuclear.

Pela famosa fórmula de Einstein, sabemos que E = mc ^ 2 . Nessa fórmula, E é a energia, m é a massa ec é a velocidade da luz. A velocidade da luz no vácuo é de 3 x 10 ^ 8 metros por segundo. É um número enorme e, na equação de Einstein para energia, é ao quadrado. Sabendo disso e olhando para o lado direito da equação, podemos ver que não é necessária tanta massa para produzir muita energia. É por isso que a fusão nuclear produz uma grande quantidade de energia.

Fusão Nuclear na Terra

Embora as estrelas ainda sejam a principal fonte de fusão nuclear, nós também na Terra fomos capazes de produzir a fusão nuclear artificialmente. O primeiro exemplo de fusão nuclear induzida artificialmente foi na bomba de hidrogênio. A bomba de hidrogênio recebe o nome dos isótopos de hidrogênio, deutério e trítio, que usa no processo de fusão.

Assim como as estrelas de que falamos na seção anterior, alta pressão e alta temperatura são necessárias para o processo de fusão nuclear. Para obter uma temperatura e pressão suficientemente altas dentro da bomba, outra explosão de fissão nuclear deve ser acionada primeiro. A fissão nuclear difere da fusão porque é causada pela divisão de um único núcleo atômico, em contraste com a combinação de dois. A explosão da fissão fica contida dentro da bomba por tempo suficiente para elevar a temperatura e a pressão, desencadeando o processo de fusão responsável pela explosão da bomba.

Reatores de fusão nuclear

O futuro da fusão nuclear feita pelo homem pode não ser apenas sobre destruição. As usinas de fusão nuclear estão sendo analisadas para o futuro. Existem algumas razões pelas quais uma usina de fusão nuclear seria superior às usinas de fissão nuclear já existentes. Primeiro, eles seriam muito mais seguros do que os reatores de fissão nuclear, uma vez que qualquer vazamento de radiação deles não estaria acima dos níveis normais de radiação aos quais as pessoas estão expostas pelo mundo natural ao seu redor. Em segundo lugar, eles seriam melhores para o meio ambiente, produzindo menos lixo radioativo.

A dificuldade em obter uma usina de fusão nuclear em funcionamento vem dos requisitos de alta pressão e temperatura que já sabemos serem necessários para a fusão. Duas maneiras possíveis de criar o ambiente necessário para a fusão nuclear são confinamento magnético e confinamento inercial. Com o confinamento magnético , o gás hidrogênio é primeiro aquecido até o ponto em que se torna um plasma. Superímãs são então usados ​​para comprimir o plasma. Essa compressão cria a pressão e a temperatura necessárias para a fusão nuclear.

No confinamento inercial , um poderoso laser é focado em uma pequena pelota contendo os elementos necessários para a fusão nuclear. Quando o laser entra em contato com a parte externa do pellet, essa parte do pellet evapora. As partículas evaporadas do pellet são então capazes de atingir o pellet sólido remanescente com colisões de alta energia. Essas colisões comprimirão a pelota, criando a temperatura e a pressão necessárias para a fusão nuclear em seu núcleo.

Resumo da lição

A fusão nuclear é o processo no qual dois núcleos atômicos são fundidos em um único núcleo maior, liberando energia no processo. A alta pressão permite que os núcleos atômicos se aproximem o suficiente para se fundirem. A alta temperatura permite que os núcleos atômicos superem a força de Coulomb , que é a força emitida pelos objetos devido à carga elétrica, que normalmente os manteria separados.

Em nosso Sol, o principal tipo de fusão que ocorre é conhecido como fusão próton-próton. Na fusão próton-próton , quatro átomos de hidrogênio são fundidos em um único átomo de hélio-4, liberando muita energia no processo. Podemos ver por que tanta energia é liberada durante a fusão nuclear usando a famosa fórmula de Einstein: E = mc ^ 2 . Energia ( E ) é igual à massa ( m ) vezes a velocidade da luz ( c ) ao quadrado, ec é um número muito grande. Portanto, basta um pouco de massa para criar muita energia.

A fusão nuclear também foi criada artificialmente na Terra em bombas de hidrogênio. A alta temperatura e pressão necessárias para a fusão em bombas de hidrogênio são criadas por uma reação de fissão nuclear criada e confinada dentro da bomba antes que a explosão de fusão ocorra. A fusão nuclear também está sendo vista como uma possibilidade para as usinas, já que é uma forma de energia mais segura e limpa do que as usinas de fissão nuclear tradicionais. Dois tipos possíveis de reatores de fusão que podem ser usados ​​para isso são confinamento magnético (que usa gás superaquecido e compressão magnética) e confinamento inercial (que usa lasers nos elementos necessários).