#Inova - Fusão Nuclear: A energia das estrelas

FUSÃO NUCLEAR: A ENERGIA DAS ESTRELAS

Escrito por: Carlos Leonardo André Degan

            O ser humano consome muita energia no decorrer de sua vida, seja ela para aquecer um prato de comida no microondas ou então para refrigerar um quarto no intenso calor do Brasil utilizando o ar-condicionado. Assim, podemos imaginar o quanto somos dependentes da energia elétrica, independente de que forma ela é gerada. As principais fontes de energia utilizadas pela humanidade, como a hidrelétrica, queima de gás natural e combustíveis fósseis, bem como a fissão nuclear (CCEE, s.a.), apesar de eficientes, geram impactos ambientais significativos, como o desmatamento necessário para sua instalação, poluição atmosférica pela emissão de carbono e descarte inapropriado de lixo radioativo, respectivamente. Nesse sentido, embora sejamos dependentes dessas formas de energia, geramos uma consequência para o planeta.

Agora, imagine que incrível seria se utilizássemos uma forma de produzir energia elétrica em larga escala que não gerasse como consequência altos índices de CO2 na atmosfera, grandes áreas de desmatamento ou envenenamento radioativo?  Existe uma alternativa possível e mais eficiente que as formas de Energia Limpa que já conhecemos, como a Energia Eólica e a Solar. Esta é a forma de energia mais antiga do universo, presente nele antes mesmo da origem da Terra, e ela é responsável pelo funcionamento de estrelas, como o Sol. É ela: a fusão nuclear.

As reações nucleares ocorrem quando dois núcleos atômicos interagem por meio da força nuclear, podendo gerar energia, quando exotérmicas. Essas reações podem ser classificadas em dois tipos: fissão e fusão nuclear. Mas você sabe qual a diferença entre a fissão e a fusão nuclear? Segundo o Departamento de Física Nuclear da USP (s.p.), "fissão é um processo nuclear no qual um núcleo muito pesado se divide em dois núcleos menores”. Esse tipo de reação é realizado nas usinas nucleares, como a de Angra dos Reis (Brasil) e na Usina Nuclear de Cattenom (França), conforme apresentado nas Figuras 1 e 2, respectivamente.

Figura 01: Usina nuclear de Angra dos Reis (BBC).

Figura 02: Usina nuclear de Cattenom, França (ENERGIA NUCLEAR).

Já a fusão nuclear é descrita como um processo em que dois núcleos mais leves se combinam para formar um único mais pesado (DEPARTAMENTO DE FÍSICA NUCLEAR). Um exemplo importante de reações de fusão nuclear é o processo de produção de energia do Sol, mas você sabe como isso acontece?

O processo de formação de uma estrela depende da gravidade: o hidrogênio e hélio contidos em uma nuvem de matéria começam a se atrair pela ação dessa “força’’ ao ponto de formarem um denso corpo de gás, cuja temperatura e pressão em seu núcleo são extremas ao ponto do hidrogênio fundir-se em hélio, como apresentado na Imagem 3. Contudo, o combustível da estrela alguma hora irá se exaurir, obrigando-a a fundir o hélio restante em elementos mais pesados. O fim da estrela se aproxima quando é formado ferro em seu interior, a partir desse ponto, o corpo celeste não consegue vencer a gravidade que o pressiona, resultando em uma explosão, se transformando em uma Supernova (DEPARTAMENTO DE FÍSICA NUCLEAR).

Imagem 03: Sol (BRASIL ESCOLA).

          

Os reatores de fusão nuclear utilizados na produção de energia elétrica, conforme Imagem 4, foram inspirados no princípio de funcionamento das estrelas. O processo para se dar início a uma fusão nuclear aqui na Terra é bem semelhante ao do Sol: primeiro será necessário fundir alguns átomos de hidrogênio para a formação de Deutério, quando o deutério já estiver formado dentro do reator é importante que essas partículas estejam em elevada temperatura para que elas se colidam e quando isso acontecer haverá plasma dentro do reator, formado apenas em condições específicas de pressão e temperatura. É preciso manter esse plasma quente para que as partículas de deutério possam se fundir, caso contrário elas não teriam energia o suficiente para quebrar a barreira que as separam. Para se ter uma noção da energia necessária para isso ocorrer, é preciso uma temperatura superior a 100 milhões de graus Celsius, e essa temperatura só pode ser atingida graças à pressão criada por um campo eletromagnético que também é responsável por manter o plasma quente, estável e dentro do reator, impedindo que ocorram explosões ou contaminações. O maior desafio na geração de energia elétrica por meio da fusão nuclear é manter esse plasma sob altas temperaturas e pressões por um período de tempo suficiente para que as reações aconteçam. Esse tempo é necessário para que a densidade e temperatura sejam bastante elevadas para que haja fusão apreciável do combustível. (MASILI e ESTEVES, s.a.)

Imagem 04: Ilustração de um reator de fusão nuclear (FAPESP).

Dentre as vantagens em usar as usinas de fusão nuclear como fonte de energia elétrica, destacamos o fato de que são seguras, não geram resíduos tóxicos e não agridem o planeta. Mas então, por que usamos usinas hidrelétricas, reatores de fissão nuclear e até queima de combustíveis fósseis como nossas principais fontes de energia?

            Como vimos, é consideravelmente complicado criar tais condições para que dois átomos simples possam se fundir, e isso é o principal desafio para que esse tipo de reação não seja a mais utilizada no fornecimento de energia elétrica. Ainda se faz necessário investimentos em pesquisas sobre, não só em como e para quê utilizar essa fonte de energia, como também, consolidar esse tipo de reação como algo comercial e utilizável em vários países. Por outro lado, a China já está à frente nessa “corrida tecnológica", onde o país quebrou um novo recorde com o reator nuclear Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST), apresentado na Imagem 5. Neste reator, o plasma alcançou a temperatura de 120.000.000 ºC durante 100 segundos, e depois chegou a 160.000.000 ºC, temperatura que foi mantida durante 20 segundos, um recorde histórico (CASSITA e GNIPPER, 2021).

Imagem 05: Foto do reator de fusão nuclear HL-2M Tokamak na China (ÉPOCA NEGÓCIOS)

Embora ainda distante da realidade de muitos brasileiros, esse tipo de inovação tecnológica que promete energia eficiente, e acima de tudo limpa, aos poucos está se tornando realidade. Talvez não seja de imediato que a fusão nuclear se consolide e passe a suprir as demandas energéticas do mundo, sendo assim, para acelerarmos esse processo, devemos focar mais nossa atenção nessa problemática que pode, quiçá, salvar nosso planeta.

Referências Bibliográficas:

BBC. Disponível em: https://www.bbc.com/portuguese/brasil-48683942 acesso em 17 de junho de 2021.

BRASIL ESCOLA. Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/quimica/fusao-nuclear.htm acesso em 17 de junho de 2021.

CASSITA, D.; GNIPPER, P. “Sol artificial” da China quebra novo recorde e chega a 160 milhões de graus Celsius. Canaltech, 31 de maio de 2021. Disponível em: https://canaltech.com.br/ciencia/sol-artificial-da-china-quebra-recorde-e-chega-a-160-milhoes-de-graus-celsius-186152/ acesso em 17 de junho de 2021.

ENERGIA NUCLEAR. Disponível em: https://pt.energia-nuclear.net/centrais-nucleares/franca/cattenom-1.html acesso em 17 de junho de 2021.

ÉPOCA NEGÓCIOS. Disponível em: https://epocanegocios.globo.com/Mundo/noticia/2019/01/china-cria-estrela-artificial-mais-quente-que-o-sol-que-pode-ser-futuro-da-energia.html acesso em 17 de junho de 2021.

FAPESP. Disponível em: https://agencia.fapesp.br/modelo-prediz-cenarios-para-geracao-de-energia-por-meio-da-fusao-nuclear/26947/ acesso em 17 de junho de 2021.

DEPARTAMENTO DE FÍSICA NUCLEAR. Instituto de Física, Universidade de São Paulo. Livro ABC da Física Nuclear. Disponível em: http://portal.if.usp.br/fnc/pt-br/p%C3%A1gina-de-livro/livro-abc-da-f%C3%ADsica-nuclear, acesso em 17 de junho de 2021.

SERRANO, C. Fusão nuclear: como é o poderoso 'sol artificial' com que a China espera gerar energia limpa. BBC News, 08 dez. 2021. Disponível em: https://www.bbc.com/portuguese/internacional-55231500 acesso em: 17 de julho de 2021.

MARSILI, G. S.; ESTEVES, R. J. G. A. Usina Nuclear. Faculdade de Engenharia Mecânica, UNICAMP. Acesso on-line. Disponível em: http://www.fem.unicamp.br/~em313/paginas/nuclear/nuclear.htm acesso em 17 de junho de 2021.

CCEE. Câmara de Comercialização de Energia Elétrica. Disponível em: https://www.ccee.org.br/portal/faces/pages_publico/onde-atuamos/fontes?_afrLoop=215032313618147&_adf.ctrl-state=wue5e1h4s_1#!%40%40%3F_afrLoop%3D215032313618147%26_adf.ctrl-state%3Dwue5e1h4s_5 , acesso em 17 de junho de 2021.

Para saber mais: 

Contemporary Physics Education Project (CPEP). Nuclear Science: A Guide to the Nuclear Science Wall Chart. 5º ed. 2019. Disponível em:  https://www2.lbl.gov/abc/wallchart/teachersguide/pdf/NuclearTeachersGuide-2019.pdf, acesso em 27 de junho de 2021.