Fissão & Fusão Nuclear

Fissão nuclear

Quando um nêutron lento atinge um núcleo de urânio-235, este pode se romper em dois fragmentos de massa intermediária — acompanhado da liberação de dois a três novos nêutrons e de uma quantidade enorme de energia. Como o ²³⁵U está além do máximo da curva de energia de ligação, situado no ferro, os fragmentos resultantes ficam mais fortemente ligados do que o núcleo original — a diferença é liberada como energia.

Como cada fissão gera vários nêutrons novos, que por sua vez podem dividir outros núcleos, pode surgir daí uma reação em cadeia autossustentada — controlada em um reator nuclear, descontrolada em uma arma nuclear. Para que a reação não se interrompa, é preciso haver uma quantidade mínima de material físsil: a massa crítica.

Fusão nuclear

No outro extremo da curva de energia de ligação está a fusão: quando dois núcleos leves como deutério (²H) e trítio (³H) se fundem formando hélio, o núcleo resultante fica mais fortemente ligado do que os dois núcleos originais juntos — de novo, a diferença é liberada como energia, e por núcleon, ainda mais do que na fissão.

O problema: ambos os núcleos têm carga positiva e se repelem eletrostaticamente. Só em temperaturas de várias dezenas de milhões de graus — como no interior do Sol ou em um reator de fusão — os núcleos se movem rápido o suficiente para que alguns deles superem a barreira coulombiana (com uma ajudinha do efeito túnel quântico). Dominar esse problema é a razão pela qual a fusão nuclear controlada na Terra ainda não é comercialmente viável.

E = mc² em comparação

Tanto a fissão quanto a fusão liberam um defeito de massa minúsculo como energia — mas em uma ordem de grandeza que deixa qualquer reação química em segundo plano: um quilograma de urânio-235, ao sofrer fissão completa, libera aproximadamente a mesma energia que dois a três milhões de quilogramas de carvão em combustão.

Usina versus reator de fusão

Acima de 100 milhões de graus não existe mais combustível sólido ou líquido, apenas plasma — um gás de núcleos atômicos e elétrons livres e eletricamente carregados. Nenhum material conhecido poderia formar a parede de um recipiente capaz de suportar essa temperatura por contato; qualquer contato direto resfriaria o plasma instantaneamente e vaporizaria a parede. A solução explora justamente a carga elétrica do plasma: partículas carregadas podem se mover quase livremente ao longo das linhas de campo magnético, mas com extrema dificuldade transversalmente a elas — a força de Lorentz as obriga a trajetórias espirais estreitas em torno das linhas de campo. Curvando essas linhas de campo de modo que formem anéis fechados sobre si mesmos, por exemplo em forma de toro (uma forma de rosquinha), o plasma pode circular nessas trajetórias sem jamais tocar uma parede — uma "garrafa magnética" invisível. Isso exige bobinas magnéticas enormes, em geral supercondutoras, dispostas ao redor do recipiente de vácuo, gerando intensidades de campo de vários tesla — dez mil a cem mil vezes o campo magnético terrestre.

Tecnicamente, dois modelos construtivos diferentes se consolidaram para esse confinamento magnético: no tokamak — do russo para "câmara toroidal com bobinas magnéticas" — bobinas dispostas em anel, junto com uma corrente elétrica induzida no próprio plasma, geram o campo magnético necessário; a construção é relativamente simples e simétrica, mas exige uma corrente de plasma que só pode ser mantida de forma pulsada. O reator de pesquisa internacional ITER, no sul da França, atualmente o maior reator experimental de fusão do mundo, segue esse princípio.

Já o stellarator dispensa a corrente de plasma induzida e gera o campo magnético torcido necessário apenas por meio de bobinas complexas, tridimensionalmente enroladas — tecnicamente muito mais exigente em construção e cálculo, mas em princípio adequado para operação contínua. O Instituto Max Planck alemão opera, com o Wendelstein 7-X em Greifswald, o maior stellarator do mundo.

Vista superior de um tokamak: o plasma circula no toro, mantido por bobinas magnéticas; partículas carregadas quase não conseguem abandonar as linhas de campo, apenas espiralar em torno delas.

A fusão por confinamento inercial segue um caminho completamente diferente: em vez de campos magnéticos, lasers extremamente potentes, como na National Ignition Facility (NIF), nos EUA, concentram sua energia em poucos nanossegundos sobre uma minúscula esfera de combustível, comprimindo-a e aquecendo-a abruptamente de todos os lados, de modo que a fusão se inicie antes que o material volte a se dispersar — em 2022, o NIF obteve assim, pela primeira vez, um ganho líquido de energia proveniente especificamente da própria reação de fusão. Além disso, empresas cada vez mais financiadas por capital privado, como a Commonwealth Fusion Systems (tokamaks compactos de alto campo com supercondutores de alta temperatura) ou a Helion Energy (fusão inercial magnetizada e pulsada), perseguem abordagens técnicas próprias, por vezes híbridas, com o objetivo de viabilizar usinas de fusão comerciais mais rápido do que a pesquisa financiada pelo Estado.