Três fases da reação de fusão
nuclear:
1 - o deutério e o trítio são acelerados até uma velocidade que
permita o início da reação.
2 - é criado um núcleo instável de He-5.
3 - a ejeção de um nêutron e a expulsão de um núcleo de He-4.
Fusão Nuclear - é o processo no qual dois
ou mais núcleos atômicos se juntam e formam um outro núcleo de maior
número atômico. A fusão nuclear requer muita energia para acontecer,
e geralmente liberta muito mais energia que consome. Quando ocorre
com elementos mais leves que o ferro e o níquel (que possuem as
maiores forças de coesão nuclear de todos os átomos, sendo portanto
mais estáveis) ela geralmente liberta energia, e com elementos mais
pesados ela consome. Até hoje início do século XXI, o ser humano
ainda não conseguiu encontrar uma forma de controlar a fusão nuclear
como acontece com a fissão.
O principal tipo de fusão que ocorre no interior
das estrelas é o de Hidrogênio em Hélio, onde dois
prótons se fundem em uma partícula
alfa (um núcleo de hélio), liberando dois pósitrons, dois neutrinos
e energia. Mas dentro desse processo ocorrem várias reações
individuais, que variam de acordo com a massa da estrela. Para
estrelas do tamanho do nosso Sol ou menores, a cadeia próton-próton
é a reação dominante. Em estrelas mais pesadas, predomina o ciclo
CNO.
Vale ressaltar que há conservação da energia, e,
portanto, pode-se calcular a massa dos quatro prótons e o núcleo de
hélio, e subtrair a soma das massas das partículas iniciais daquela
do produto desta reação nuclear para calcular a massa/energia
emitida.
Utilizando a equação E= m . c², pode-se
calcular a energia liberada, oriunda da diferença de massa. Uma vez
que o valor de c é muito grande (aprox. 3×108
m/s), mesmo uma massa muito pequena corresponde a uma enorme
quantidade de energia. É este fato que levou muitos engenheiros e
cientistas a iniciar projetos para o desenvolvimento de reatores de
fusão (Tokamaks) para gerar eletricidade (por exemplo, a fusão de
poucos cm3 de deutério, um isótopo de hidrogênio,
produziria uma energia equivalente àquela produzida pela queima de
20 toneladas de carvão).
Uma substancial barreira de energia deve ser
vencida antes que a fusão possa ocorrer. A grandes distâncias, dois
núcleos expostos se repelem mutuamente devido à força eletrostática
que atua entre seus prótons positivamente carregados. Se os núcleos
puderem ser aproximados suficientemente, porém, a barreira
eletrostática pode ser sobrepujada pela força nuclear forte a qual é
mais poderosa a curta distância do que a repulsão eletromagnética.
Quando um núcleo tal como o próton ou nêutron é
adicionado a um núcleo, ele é atraído pelos outros núcleos, mas
principalmente por seus vizinhos imediatos devido à força de curto
alcance. Os núcleos no interior do núcleo têm mais vizinhos do que
aqueles na sua superfície. Desde que núcleos menores têm uma grande
razão de superfície para volume, a energia de ligação por núcleo
devido à força nuclear forte geralmente aumenta como o aumento do
tamanho do núcleo, mas atinge um valor limite que corresponde à
vizinhança do núcleo totalmente preenchida.
A força eletrostática, por outro lado, é uma
força proporcional ao inverso do quadrado da distância; então, um
próton adicionado ao núcleo ira sentir uma repulsão eletrostática de
todos os prótons no núcleo. A energia eletrostática por núcleo
devido à força eletrostática irá portanto aumentar independentemente
do tamanho do núcleo.
O resultado combinado destas duas forças opostas
é que a energia de ligação por núcleo geralmente aumenta com o
aumento de tamanho do átomo, para elementos até com núcleo do
tamanho de ferro e níquel, e diminui para núcleos mais pesados.
Eventualmente, a energia de ligação se torna negativa e núcleos
muitos pesados não são estáveis. Os quatro núcleos blindados mais
compactos, em ordem decrescente de energia de ligação, são 62Ni,
58Fe, 56Fe, e 60Ni. Embora o
isótopo do Níquel 62Ni seja o mais estável, o isótopo do
Ferro 56Fe é uma ordem de magnitude mais comum. Isto é
devido em grande parte à grande razão de desintegração do 62Ni
no interior de estrelas conduzida pela absorção de fótons.
Uma notável exceção a esta regra geral é o núcleo
do hélio-4, cuja energia de ligação é maior que a do lítio, o
próximo elemento mais pesado. O princípio de exclusão de Pauli provê
um explicação para este comportamento excepcional – isto se dá
porque os prótons e nêutrons são férmions, eles não podem coexistir
exatamente no mesmo estado. Cada estado energético de um próton ou
nêutron em um núcleo pode acomodar uma partícula de spin para abaixo
e outra de spin para acima. O Hélio-4 tem uma banda de energia de
ligação anormalmente grande porque seu núcleo consiste de dois
prótons e dois nêutrons; então todos os núcleos dele podem estar em
um estado fundamental. Qualquer núcleo adicional deverá ir para um
estado energético alto.
A situação é similar se dois núcleos são
colocados juntos. Ao se aproximarem, todos os prótons em um núcleo
repelem todos os prótons do outro, até o ponto em que os dois
núcleos entrem em contato para que a força nuclear forte domine.
Consequentemente, mesmo quando o estado de energia final é mais
baixo, há uma grande barreira energética que deve ser ultrapassada
primeiro. Na química, este fato é conhecido como energia de
ativação. Em física nuclear ele é chamado de barreira de Coulomb.
A barreira de Coulomb é menor para os isótopos do
hidrogênio – eles contêm uma única carga positiva em seus núcleos.
Um bipróton não é estável, então os nêutrons devem ser envolvidos,
de forma a produzir um núcleo de hélio.
Usando combustível deutério-trítio, a barreira de
energia resultante é de cerca de 0,1 MeV. Em comparação, a energia
necessária para remover um elétron do hidrogênio é 13,6 eV, cerca
7.500 vezes menos energia. O resultado (intermediário) da fusão é um
núcleo instável de 5He, o qual imediatamente ejeta um
nêutron com 14,1 MeV. A energia recuperada do núcleo de 4He
remanescente é 3,5 MeV, então a energia total liberada é 17,6 MeV.
Isto é muitas vezes mais que a barreira de energia a ser transposta.
Se a energia para iniciar a reação vem da
aceleração de um núcleo, o processo é chamado de fusão por
projétil-alvo; se ambos os núcleos são acelerados, isto é fusão
projétil|projétil. Se o núcleo faz parte de um plasma próximo
ao equilíbrio térmico, denominamos fusão termonuclear. A temperatura
é uma medida da energia cinética média das partículas, então por
aquecimento o núcleo deverá ganhar energia e eventualmente transpor
a barreira de 0,1 MeV. A conversão das unidade entres elétron-volts
e kelvins mostra que esta barreira será transposta quando a
temperatura ultrapassar 1 GK, obviamente uma temperatura muito alta.
Há dois fatos que podem diminuir a temperatura
necessária. Um é o fato que a temperatura é uma média da
energia cinética, implicando que alguns núcleos a esta temperatura
poderão já ter uma energia maior que 0,1 MeV, enquanto outros um
pouco menos. Estes núcleos na faixa de alta-energia da distribuição
de velocidade participam da maioria das reações de fusão. O outro
efeito é o tunelamento quântico. O núcleo não precisa sempre ter
bastante energia, podendo atravessar, por efeito túnel, a barreira
restante. Por esta razão, combustíveis a temperaturas menores podem
experimentar eventos de fusão, a uma taxa mais baixa.
A fusão de reação de deutério-trítio aumenta sua taxa
rapidamente com a temperatura até ela se maximizar a 70 keV. (800
milhões kelvins) e então gradualmente descende.
A seção transversal da reação σ é uma
medida da probabilidade de reação de fusão com uma função da
velocidade relativa dos dois núcleos reativos. Se os núcleos têm uma
distribuição de velocidade, isto é, uma distribuição térmica com a
fusão termonuclear, então eles são úteis para obter uma média sobre
a distribuição dos produtos da seção transversal e da velocidade. A
taxa de reação (fusão por volume por tempo) é <σv> vezes o produto
da densidade dos participantes:
Se um tipo de núcleo está reagindo com si
próprio, tal como a reação PP, então o produto n1n2 pode ser substituído
por (1 / 2)n2.
aumenta de praticamente zero a temperatura ambiente para um
significativo valor a temperatura de 10 - 100 keV. A estas
temperaturas, bem abaixo da energia de ionização típica (13,6 eV no
caso do hidrogênio), os reativos da fusão existem um estado de
plasma.
O significado de <σv> como uma função da
temperatura em um experimento com uma energia de tempo confinamento
é determinado pela utilização do critério de Lawson.
Existem diversos projetos em andamento ao redor
do mundo, com a finalidade de obter o domínio da tecnologia de fusão
nuclear para fins de geração controlada de energia elétrica.
Um dos projetos em andamento é o ITER (International
Thermonuclear Experimental Reator), baseado na tecnologia do
Tokamak. O financiamento internacional deste projeto ultrapassa a
barreira dos 10 bilhões de dólares.
Outras abordagens alternativas para tentar chegar
ao domínio da fusão nuclear são estudadas por diversos cientistas.
Alguns exemplos são a tecnologia de focus fusion,
desenvolvida pelo físico Eric Lerner; a fusão por bolhas (sonofusion);
e o confinamento eletrostático-inercial (IEC), proposto por
Robert Bussard.
A bomba de nêutrons é uma variante da bomba atômica. Em
geral, é um dispositivo termonuclear pequeno, com corpo de níquel ou
cromo, onde os nêutrons gerados na reação de fusão intencionalmente
não são absorvidos pelo interior da bomba, mas se permite que
escapem. As emissões de raios-X e de nêutrons de alta energia são
seu principal mecanismo destrutivo. Os nêutrons são mais penetrantes
que outros tipos de radiação, de tal forma que muitos materiais de
proteção que bloqueiam raios gama são pouco eficientes contra eles.
A bomba de nêutrons tem ação destrutiva apenas sobre organismos
vivos, mantendo, por exemplo, a estrutura de uma cidade intacta.
Isso pode representar uma vantagem militar, visto que existe a
possibilidade de se eliminar os inimigos e apoderar-se de seus
recursos.
Os efeitos de uma explosão nuclear podem
ser divididos nas categorias: a explosão propriamente dita,
a radiação térmica, a radiação nuclear direta e a indireta.
A explosão
A explosão consiste em uma onda de choque
que se espalha na forma de uma esfera com raio crescente.
Esta onda de choque nada mais é do que uma oscilação da
pressão do ar, ou seja, um aumento seguido de uma
diminuição, ambos muitos rápidos. Por exemplo, a uma
distância de 1 km, uma explosão de uma bomba atômica (fissão
nuclear) de 20 quiloton provoca uma variação na pressão da
ordem de uma atmosfera. Isso é suficiente para destruir
construções de concreto, como casas e prédios. Uma bomba
termonuclear (fusão nuclear), pode chegar a até 10 megaton
(= 10.000 quiloton). 1 quiloton significa 1.000 toneladas de
explosivo TNT (trinitrotolueno), o que equivale a 1012
calorias, ou 4.184 × 1012 J de energia. A
densidade de energia que a onda de choque carrega diminui
com o inverso do quadrado da distância (1/r²), por um fator
puramente geométrico. A 2 km de distância, a mesma bomba
atômica provoca uma onda de choque com uma variação de 0,25
atmosferas, o que é suficiente para destruir casas de
madeiras e atirar escombros a mais de 360 km/h.
A radiação térmica
O outro efeito destruidor das armas
nucleares é o calor que ela libera. Este, porém sofre mais
diminuição do que a onda de choque. Pois além do fator
geométrico 1/r² ainda há a absorção e espalhamento da
radiação térmica pelo meio. Mesmo assim, a 2 km de
distância, uma bomba atômica de 20 quilotons ainda provoca
queimaduras de terceiro grau nas pessoas e é capaz de
incendiar materiais inflamáveis como madeira e tecidos. No
local da explosão, a bola de fogo se forma tão rapidamente
que provoca ventos de 180 a 360 km/h, o que espalha mais
ainda o incêndio causado. Este efeito não é uma
exclusividade das bombas nucleares. Estas apenas têm uma
maior intensidade. Novamente, para se ter uma idéia, com uma
única bomba termonuclear (fusão nuclear) é possível,
considerando os dois efeitos já descritos, destruir
completamente uma área circular com raio de 10 km. Com uma
explosão nuclear, nêutrons e radiação g são emitidos. Ambos
decrescem com 1/r2 e a distância na qual são
letais é a mesma para as ondas de choque e térmica. Os
efeitos desta radiação são o aparecimento de várias doenças,
como tipos variados de câncer e modificações genéticas.
Estas modificações se devem a troca das bases nitrogenadas
na seqüência da molécula do DNA (ácido desoxirribonucléico).
A radiação nuclear direta
Um outro efeito exclusivo de bombas
atômicas é devido aos elementos radioativos que são
liberados na explosão. Eles são vaporizados devido ao calor
liberado e vão para a atmosfera formando nuvens carregadas
com elementos radiativos, as chamadas nuvens radiativas.
Estas podem circular durante anos. Nas chuvas, estes
elementos caem e se infiltram no solo, entrando em contato
com o lençol freático. Quando essa água é absorvida pela
vegetação, os elementos radiativos vão junto. Em seguida
esses elementos podem chegar ao organismo do homem de várias
maneiras diferentes. Uma delas é o homem ingerir diretamente
alimentos vegetais contaminados. Outra, é o homem comer
carne de animais que se alimentaram de vegetação
contaminada. Uma vez os elementos estando no corpo humano,
ele vai se acumulando, pois não é liberado. Cada elemento
pode ter um efeito danoso particular. O 90-Sr (estrôncio)
por exemplo é muito similar ao cálcio. Devido a isso, ele se
acumula facilmente no tecido ósseo do corpo humano. Assim, a
pessoa fica com o esqueleto extremamente fraco e debilitado,
podendo quebrar algum osso muito facilmente, além de ficar
muito propenso a ter câncer nesses tecidos. Eliminando o
material físsil de uma bomba termonuclear, é possível fazer
uma bomba com uma explosão limpa, que não provocará chuva
radioativa no futuro, e seus efeitos nocivos.
A radiação nuclear indireta
Podemos ainda citar outro efeito
exclusivo de bombas nucleares. Além da radiação g, há uma
grande emissão de raios X. Essas duas radiações interagem
com as moléculas da atmosfera (por efeito Compton e
ionização) criando uma grande corrente de elétrons que se
espalha a partir do ponto de explosão. Estes elétrons são
acelerados pelo campo magnético da Terra gerando ondas
eletromagnéticas na forma de um pulso. Tal pulso pode gerar
um colapso na rede elétrica de uma cidade impossibilitando
qualquer uso de energia elétrica. Esse é o chamado efeito
PEM (pulso eletromagnético).
Como funcionam
as
Bombas de Nêutrons
A
bomba de nêutron é uma bomba
nuclear, melhor dizendo,
termonuclear, que após uma reação de
fusão entre os elementos que compõem
a bomba os nêutrons não são
absorvidos pela reação, o que
permite que eles escapem com uma
alta energia, bem como os raios-X
que também são gerado nessa fusão
nuclear.
O
nêutron, em altíssima energia gerada
pela reação nuclear, é mais
penetrante que outros tipos de
radiação, como a radiação gama,
então ela penetra em locais onde
possa existir blindagem contra
radiações.
A
bomba de nêutron só tem ação sobre
organismos vivos, o que dão as
vantagens citadas acima para o
exercito que a tem. Daí você me
pergunta: Como assim ela só tem ação
em organismos vivos? Bom, os
nêutrons não sabem o que é vivo ou
não, o que acontece é que eles
atingem a nível celular, ou seja,
eles matam as células, e só têm
célula os organismos vivos. Por
exemplo, se uma bomba for lançada
sobre Brasília, todos os prédios,
carros, o Congresso, a Granja do
Torto, permanecerão intactos. Porém,
todas as pessoas, plantas e animais
que lá estiverem, morrerão.
Permaneceria intacta, de igual modo,
a estrutura do corpo humano que for
atingido pelos nêutrons. As pessoas
não se desintegrariam ou virariam pó
(como alguns poderiam imaginar)(com
exceção daquelas que estiverem no
epicentro da bomba), o individuo
morreria porque todas as suas
células estariam mortas, mas o seu
corpo permaneceria intacto assim
como as edificações do local.
A
radiação dos nêutrons são dispersos,
isto é, perde sua força, em um raio
de 1,7km e desaparecem rapidamente.
O
conceito da bomba de nêutron
desenvolvido criado em 1958 por
Samuel Cohen e testado em 1963,
contra a vontade do presidente
Kennedy. Em 1978 seu desenvolvimento
foi adiado pelo presidente Jimmy
Carter mas foi retomado em 1981 pelo
presidente Ronald Reagan.
Eliminando o 238U, essas bombas 'reduzem'
o seu poder para a faixa dos quilotons. Quando ativadas,
elas produzem um intenso feixe de nêutrons, que carregam uma
dose letal de radiação. Estima-se que uma bomba de nêutrons
de 1 quiloton sujeita o homem, protegido com colete, a uma
distância de 1 km a uma dose de 103 rads. Isso é suficiente
para matar em um prazo de poucos dias. Essas bombas de
nêutrons tiveram um objetivo específico quando projetadas.
Por exemplo, se um exército inimigo invadir um território,
uma bomba de nêutrons poderia ser detonada, matando todo o
contingente inimigo, porém, deixando intacto as construções
(prédios, casas, etc). Pois já que, por outro lado, uma
bomba termonuclear normal destruiria todo o território, ao
invés de salvá-lo.
PORTAL
DE ESTUDOS EM QUÍMICA
aumenta de praticamente zero a temperatura ambiente para um
significativo valor a temperatura de 10 - 100 keV. A estas
temperaturas, bem abaixo da energia de ionização típica (13,6 eV no
caso do hidrogênio), os reativos da fusão existem um estado de
plasma.
