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 deutério (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 é um dos processos mais energéticos do universo, desempenhando um papel central na produção de energia no núcleo das estrelas. Assim, a fusão de 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 vencidas para fundir núcleos atômicos?
A força nuclear forte é a mais poderosa das quatro forças fundamentais. O alcance da interação forte é de aproximadamente 10^-15 metros, ou seja, o tamanho de um nucleon (aproximadamente 1 femtômetro). Essa força é extremamente poderosa a curta distância e é responsável pela coesão dos nucleons no núcleo. É atrativa e supera a repulsão eletrostática entre prótons quando estes estão muito próximos uns dos outros. Sem essa força, os prótons, que se repelem devido à sua carga positiva, não poderiam permanecer juntos no núcleo. No entanto, essa força quase não atua além de alguns femtômetros.
Portanto, para unir dois prótons, eles devem ser aproximados extremamente. 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 age para manter os nucleons (prótons e nêutrons) unidos no núcleo.
N.B.: A interação forte é igual a 1 (é a força de referência). Sua constante de acoplamento é aproximadamente cem vezes maior que a da interação eletromagnética, um milhão de vezes maior que a da interação fraca e 10^38 vezes maior que a da gravitação.
A força de Coulomb é uma força fundamental da natureza que descreve a interação entre cargas elétricas (elétrons, prótons, íons, etc.). Aplica-se apenas a objetos que carregam 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 sobre distâncias maiores (bem além dos poucos femtômetros da força nuclear forte) e cria o que é conhecido como barreira de Coulomb. Esta barreira é o principal obstáculo energético que impede que os núcleos carregados se fundam em 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 de Coulomb, depois passa por um máximo que deve ser superado para chegar à fusão nuclear.
Os prótons, que são carregados positivamente, exercem uma força de repulsão eletrostática entre si, conhecida como força de Coulomb. Para que a fusão ocorra, essa força de repulsão eletrostática deve ser superada.
A força nuclear forte atua a distâncias muito curtas, geralmente da ordem de 1 femtômetro. Os núcleos devem estar muito próximos para que essa força possa agir. Isso requer uma energia considerável para aproximar os núcleos o suficiente para que a força nuclear forte possa intervir 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 temperaturas de várias dezenas de milhões de graus Celsius são alcançadas devido às enormes pressões no núcleo dessas estrelas. A temperaturas tão altas, a matéria encontra-se em um estado de plasma, onde os elétrons estão separados dos núcleos, permitindo maior liberdade de movimento para os próprios núcleos.