Energia liberada em reações de fusão
Taxa e rendimento de reações de fusão
O rendimento energético de uma reação entre núcleos e a taxa de tais reações são ambos importantes. Estas quantidades têm uma profunda influência em áreas científicas como a astrofísica nuclear e o potencial de produção nuclear de energia elétrica.
Quando uma partícula de um tipo passa por um conjunto de partículas do mesmo ou diferente tipo, há uma chance mensurável de que as partículas irão interagir. As partículas podem interagir de muitas maneiras, como simplesmente dispersas, o que significa que elas mudam de direção e trocam energia, ou podem sofrer uma reação de fusão nuclear. A medida da probabilidade de que as partículas irão interagir é chamada seção transversal, e a magnitude da seção transversal depende do tipo de interação e do estado e energia das partículas. O produto da seção transversal e a densidade atômica da partícula alvo é chamada de seção transversal macroscópica. O inverso da secção transversal macroscópica é particularmente notável porque dá a distância média que uma partícula incidente irá percorrer antes de interagir com uma partícula alvo; esta medida inversa é chamada de caminho livre médio. As secções transversais são medidas produzindo um feixe de uma partícula a uma determinada energia, permitindo que o feixe interaja com um alvo (geralmente fino) feito do mesmo material ou de um material diferente, e medindo deflexões ou produtos de reacção. Desta forma é possível determinar a probabilidade relativa de um tipo de reação de fusão versus outro, assim como as condições ótimas para uma reação em particular.
As seções transversais das reações de fusão podem ser medidas experimentalmente ou calculadas teoricamente, e foram determinadas para muitas reações em uma ampla gama de energias de partículas. Elas são bem conhecidas por aplicações práticas de energia de fusão e são razoavelmente bem conhecidas, embora com lacunas, pela evolução estelar. As reacções de fusão entre núcleos, cada um com uma carga positiva de um ou mais, são as mais importantes tanto para aplicações práticas como para a nucleossíntese dos elementos de luz nas fases de queima das estrelas. No entanto, é bem conhecido que dois núcleos com carga positiva repelem-se electrostaticamente – ou seja, experimentam uma força repulsiva inversamente proporcional ao quadrado da distância que os separa. Esta repulsão é chamada de barreira Coulomb (ver força Coulomb). É altamente improvável que dois núcleos positivos se aproximem um do outro o suficiente para sofrer uma reação de fusão, a menos que tenham energia suficiente para superar a barreira Coulomb. Como resultado, a secção transversal para reacções de fusão entre partículas carregadas é muito pequena, a menos que a energia das partículas seja elevada, pelo menos 104 electrões volts (1 eV ≅ 1.602 × 10-19 joule) e frequentemente mais de 105 ou 106 eV. Isto explica porque o centro de uma estrela deve estar quente para que o combustível queime e porque o combustível para sistemas práticos de energia de fusão deve ser aquecido a pelo menos 50.000.000 kelvins (K; 90.000.000 °F). Somente então será alcançada uma razoável taxa de reação de fusão e potência.
Encyclopædia Britannica, Inc. Veja todos os vídeos deste artigo
O fenômeno da barreira Coulomb também explica uma diferença fundamental entre geração de energia por fusão nuclear e fissão nuclear. Enquanto a fissão de elementos pesados pode ser induzida por prótons ou nêutrons, a geração de energia de fissão para aplicações práticas depende dos nêutrons para induzir reações de fissão em urânio ou plutônio. Não tendo carga elétrica, o nêutron é livre para entrar no núcleo, mesmo que sua energia corresponda à temperatura ambiente. A energia de fusão, apoiando-se na reação de fusão entre núcleos leves, ocorre apenas quando as partículas são suficientemente energéticas para superar a força repulsiva Coulomb. Isto requer a produção e aquecimento dos reagentes gasosos ao estado de alta temperatura conhecido como estado plasmático.
Encyclopædia Britannica, Inc.