Atualizado em 29 de setembro de 2024

Por que a fusão nuclear exige tanta energia?

Descrição da imagem: A fusão nuclear é o processo pelo qual núcleos leves se combinam para formar um núcleo mais pesado, como a fusão de átomos de hidrogênio para formar átomos de hélio. A fusão de dois átomos de deuterium (2H) em um átomo de hélio libera aproximadamente 24,7 MeV de energia, ou 3.952×10^−12 J, ou aproximadamente 1 watt durante 4 picosegundos. Fonte da imagem análise da GAO.

A fusão nuclear

A fusão nuclear é um dos processos mais energéticos do universo, desempenhando um papel central na produção de energia no núcleo das estrelas. Assim, a fusão dos núcleos atômicos, ou seja, sua união para formar um núcleo mais pesado, requer enormes quantidades de energia para superar certas forças fundamentais que atuam em escalas microscópicas. Quais são essas forças que devem ser superadas para fundir núcleos atômicos?

A força nuclear forte

A força nuclear forte é a mais poderosa das quatro forças fundamentais. O alcance da interação forte é de aproximadamente 10^-15 metros, que é o tamanho de um nucleon (cerca de 1 femtômetro). Essa força é extremamente poderosa a curta distância e é responsável pela coesão dos nucleons dentro do núcleo. Ela é atrativa e supera a repulsão eletrostática entre prótons quando estão muito próximos uns dos outros. Sem essa força, os prótons, que se repelem mutuamente devido à sua carga positiva, não poderiam permanecer juntos no núcleo. No entanto, essa força praticamente não atua além de alguns femtômetros.

Assim, para unir dois prótons, é necessário aproximá-los extremamente um do outro. Uma vez que os prótons estão suficientemente próximos (a uma distância de aproximadamente 1 femtômetro), a força nuclear forte entra em ação. Essa força é atrativa e atua para manter os nucleons (prótons e nêutrons) juntos no núcleo.

N.B.: A interação forte é igual a 1 (esta é a força de referência). Sua constante de acoplamento é aproximadamente cem vezes maior do que a da interação eletromagnética, um milhão de vezes maior do que a da interação fraca e 10^38 vezes maior do que a da gravidade.

A força de Coulomb

A força de Coulomb é uma força fundamental da natureza que descreve a interação entre cargas elétricas (elétrons, prótons, íons, etc.). Ela se aplica apenas a objetos que possuem cargas elétricas, sejam positivas ou negativas. É um dos pilares do eletromagnetismo.

Entre os prótons, a força eletrostática repulsiva é onipresente devido às suas cargas positivas. Essa força atua em distâncias maiores (muito além dos poucos femtômetros da força nuclear forte) e cria o que chamamos de barreira de Coulomb. Essa barreira é o principal obstáculo energético que impede que núcleos carregados se fundam a baixa energia. É igual a 10^−2 (em relação à força nuclear forte).

Assim, quando dois núcleos atômicos se aproximam, sua energia potencial de interação aumenta com a repulsão coulombiana, passando por um máximo que deve ser superado para alcançar a fusão nuclear.

Em resumo

Os prótons, que têm carga positiva, exercem uma força de repulsão eletrostática entre si, conhecida como força de Coulomb. Para que uma fusão ocorra, é necessário superar essa força de repulsão eletrostática.

A força nuclear forte atua em distâncias muito curtas, geralmente da ordem de 1 femtômetro. Portanto, os núcleos devem estar muito próximos para que essa força possa agir. Isso requer uma quantidade considerável de energia para aproximar os núcleos o suficiente para que a força nuclear forte possa assumir o controle e permitir a fusão.

Para vencer essas duas forças, a fusão nuclear requer velocidades muito altas e, portanto, temperaturas extremamente altas, para fornecer a energia cinética necessária. Essas condições são encontradas no núcleo das estrelas, onde são atingidas temperaturas de várias dezenas de milhões de graus Celsius devido às enormes pressões no coração dessas estrelas. A temperaturas tão altas, a matéria se encontra em um estado de plasma, onde os elétrons estão separados dos núcleos, permitindo uma maior liberdade de movimento para os próprios núcleos.

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