19.8: Fusão Nuclear

O processo de conversão de núcleos muito leves em núcleos mais pesados também é acompanhado pela conversão de massa em grandes quantidades de energia, um processo chamado fusão. A principal fonte de energia solar é uma reação de fusão líquida na qual quatro núcleos de hidrogénio se fundem, acabando por produzir um núcleo de hélio e dois positrões.

Um núcleo de hélio tem uma massa 0,7% inferior à de quatro núcleos de hidrogénio; esta massa perdida é convertida em energia durante a fusão. Essa reação produz cerca de 1,7 × 10⁹ a 2,6 × 10⁹ quilojoules de energia por mole de hélio-4 produzido, dependendo da via de fusão. Isto é um pouco menos do que a energia produzida pela fissão nuclear de um mole de U-235 (1,8 × 10¹⁰ kJ). No entanto, a fusão de um grama de hélio-4 produz cerca  de 6,5 × 10⁸ kJ, o que é maior do que a energia produzida pela fissão de um grama de U-235 (8,5 × 10⁷ kJ). Isto é particularmente notável porque os reagentes para a fusão de hélio são menos dispendiosos e muito mais abundantes do que U-235.

Foi determinado que os núcleos dos isótopos pesados de hidrogénio, um deutério e um trítio, são submetidos a fusão termonuclear a temperaturas extremamente elevadas para formar um núcleo de hélio e um neutrão. Esta alteração prossegue com uma perda de massa de 0,0188 amu, correspondente à libertação de 1,69 × 10⁹ quilojoules por mole de hélio-4 formado. A temperatura muito alta é necessária para dar aos núcleos energia cinética suficiente para superar as forças de repulsão muito fortes resultantes das cargas positivas nos seus núcleos para que eles possam colidir.

Reações de fusão úteis requerem temperaturas muito elevadas para a sua iniciação—cerca de 15.000.000 K ou mais. A essas temperaturas, todas as moléculas dissociam-se em átomos, e os átomos ionizam-se, formando plasma. Essas condições ocorrem em um número extremamente grande de locais em todo o universo—as estrelas são alimentadas por fusão.

É uma tarefa difícil criar reatores de fusão porque nenhum material sólido é estável a temperaturas tão altas e dispositivos mecânicos não podem conter o plasma no qual ocorrem reações de fusão. Duas técnicas para conter plasma à densidade e temperatura necessárias para uma reação de fusão são atualmente o foco de esforços intensivos de investigação: contenção por um campo magnético em um reator tokamak e o uso de feixes de laser focados. No entanto, atualmente não existem reatores de fusão auto-sustentáveis a funcionar no mundo, embora tenham sido realizadas reações de fusão controladas em pequena escala durante períodos muito breves.

Este texto é adaptado de Openstax, Chemistry 2e, Section 21.4: Transmutation and Nuclear Energy.