Conteúdos

Este plano de aula de física trata do conceito de fusão nuclear. Inicialmente, faz-se uma discussão introdutória sobre o conceito de energia e os seus diferentes tipos de manifestação. Na 2ª etapa, discute-se com mais detalhes um tipo específico de energia: a nuclear. Nessa mesma etapa faz-se uma breve revisão sobre a estrutura básica de um átomo e, em seguida, o processo de fissão nuclear é apresentado. Na 3ª etapa, o processo de fusão nuclear é discutido. O material finaliza com uma discussão sobre as vantagens que um reator de fusão nuclear pode oferecer, bem como os desafios de ciência e tecnologia que estão envolvidos no processo de construção de tais reatores. O material também conta com algumas sugestões de textos e vídeos (em “Materiais relacionados”), para que o(a) professor(a) possa buscar aprofundamento no assunto.

● Tipos de energia;
● Energia nuclear;
● Fusão nuclear; e
● Reatores de fusão nuclear.

Objetivos

● Compreender o conceito de energia e os seus diferentes tipos de manifestação;
● Compreender os dois processos que permitem a obtenção de energia nuclear: fissão e fusão; e
● Conhecer os principais desafios por trás da construção de um reator de fusão nuclear, bem como as suas possíveis vantagens, frente a outras formas de obtenção de energia.

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Palavras-chave:

Tipos de energia. Energia nuclear. Fissão nuclear. Fusão nuclear.

Previsão para aplicação:

4 aulas (50 min./aula).

1ª Etapa: Tipos de energia

Em Física, energia é um dos conceitos mais delicados (complexos) de se definir. Em geral, inicia-se uma discussão sobre o conceito de energia, caracterizando-a como uma grandeza física que exibe o comportamento de conservação. Outra maneira de caracterizá-la é: a energia é a capacidade de realizar trabalho. Ambas as grandezas, trabalho e energia, no SI, possuem a mesma unidade de medida, joule [J].
Há diversos tipos de energia, e vários desses tipos podem ser convertidos entre si. Dentre as múltiplas formas de energia que existem, podemos mencionar:

• Energia mecânica → subdividida em:
  – Energia cinética (oriunda do movimento dos corpos);
  – Energia potencial gravitacional; elástica. (armazenada por um corpo devido à sua posição no espaço);
• Energia térmica (calor) → oriunda da soma das energias cinética e potencial das moléculas e dos átomos que compõem um determinado corpo (ou sistema termodinâmico);
• Energia química → oriunda das reações químicas;
• Energia eólica → oriunda dos ventos;
• Energia solar → oriunda da luz Sol;
• Energia elétrica → oriunda do trabalho realizado pela corrente elétrica;
• Energia nuclear → também chamada de energia atômica, pode ser subdividida em duas formas:
  – Energia oriunda da fissão nuclear; e
  – Energia oriunda da fusão nuclear.

2ª Etapa: Energia nuclear

A energia nuclear, também chamada de energia atômica, é, naturalmente, oriunda de processos que envolvem o núcleo dos átomos dos elementos químicos.
Neste momento, vale a pena recordarmos a estrutura básica dos átomos. Um átomo pode ser caracterizado por duas regiões (nas quais encontramos as suas partículas elementares¹ ):
● O núcleo → onde se encontram os prótons, que possuem carga elétrica positiva, e os nêutrons, que não possuem carga elétrica;
● E a eletrosfera² → região onde se encontram os elétrons, que possuem carga elétrica negativa.

¹ Se formos caracterizar o átomo como uma estrutura formada por partículas verdadeiramente elementares, deve-se tratá-lo como uma estrutura formada por elétrons (que se encontram na eletrosfera) e por quarks, que são as partículas elementares que formam os prótons e os nêutrons (que se encontram no núcleo).
² Também chamada de nuvem eletrônica.

Existem processos (naturais ou artificiais) em que núcleos de átomos pesados (3) são “quebrados” (divididos) em núcleos de átomos mais leves. Tal processo recebe o nome de fissão nuclear.

fissão nuclear →”quebra” do núcleo atômico

Quando o núcleo de um átomo pesado é fissionado, formando núcleos de átomos mais leves, ocorre uma grande liberação de energia. Tal energia pode ser utilizada para a geração (4) de energia elétrica, como ocorre nas usinas termonucleares. As usinas termonucleares recebem esse nome pelo fato de utilizarem a energia proveniente da fissão de núcleos atômicos (muitíssimo calor) para o aquecimento da água, formando vapor d’água. Esse vapor move turbinas, que acionam um gerador elétrico. O combustível nuclear mais utilizado em tais usinas termonucleares é o Urânio enriquecido (92235U).

(3)Átomos que possuem (em seu núcleo) um grande número de prótons e nêutrons.
(4)Para ser mais preciso, o termo correto não é gerar, nem produzir, energia. Mas sim converter um tipo de energia em outro tipo de energia.

Esquema de como funciona uma usina termonuclear:

Contudo, os subprodutos da fissão nuclear são elementos químicos bastante radioativos, que podem representar grandes riscos para a saúde dos seres vivos (seres humanos, animais, plantas etc.) e para o meio ambiente como um todo, se não forem tratados com o devido cuidado.

Além disso, dependendo da forma como esse processo de liberação de energia por meio da fissão nuclear é manipulado, pode-se construir armas com grande potencial de destruição. Em outras palavras, a fissão nuclear também é, infelizmente, utilizada para a construção de bombas atômicas.
No Brasil, mais especificamente no estado do Rio de Janeiro, existem duas usinas termonucleares em funcionamento, Angra 1 e Angra 2, ambas na cidade de Angra dos Reis. O nosso país também possui uma terceira usina termonuclear em desenvolvimento, Angra 3, cujas obras iniciaram-se em 1984.

A utilização de usinas termonucleares possui, assim como qualquer outra forma de produção de energia, vantagens (5) e desvantagens. Podemos mencionar como as suas principais vantagens : o fato do seu combustível nuclear, o Urânio, ser relativamente abundante (6) na natureza; não condicionamento a condições climáticas (chuvas, ventos e incidência de luz solar, por exemplo) para operarem; e não utilizarem combustíveis fósseis, que contribuem para o desequilíbrio do efeito estufa no nosso planeta.

Quanto às desvantagens, podemos mencionar: o custo elevado para a construção das usinas; a produção de lixo radioativo; e o risco de acidentes. Entretanto, os sistemas de segurança (redundantes e independentes) das usinas nucleares têm se tornado, cada vez mais, bastante rígidos e confiáveis. A destinação correta e segura do lixo radioativo também passa por processos contínuos de aprimoramento.

(5)Vale mencionar também que pesquisas feitas na área de física nuclear permitiram aplicações diversas na Medicina.
(6)Por exemplo: existe mais Urânio do que Ouro na superfície da Terra.

3ª Etapa: Fusão nuclear

Diferentemente da fissão nuclear, em que núcleos de átomos mais pesados se dividem formando núcleos de átomos mais leves, na fusão nuclear ocorre justamente o oposto.

Durante uma fusão nuclear, núcleos de átomos mais leves se fundem, formando núcleos de átomos mais pesados.
O processo de fusão nuclear é bastante comum no Universo. No centro da maior parte das estrelas do Universo, inclusive do nosso Sol, ocorrem fusões nucleares, em que núcleos de átomos de Hidrogênio (H) se fundem, formando núcleos de átomos de Hélio (He). Esse processo libera uma quantidade enorme (muito maior do que na fissão nuclear) de energia. Tal processo é o responsável por manter as estrelas “vivas”, ou seja, brilhando.

O Hidrogênio é o primeiro elemento químico da tabela periódica, sendo, portanto, o mais simples. Não por acaso, é justamente o H o elemento químico mais abundante em todo o Universo. Portanto, na composição das estrelas, a maior parte de sua massa é composta por esse elemento químico. O segundo elemento químico mais abundante no Universo (e na composição da maioria das estrelas) é, justamente, o segundo elemento da tabela periódica, o Hélio (He).

Recordando, tem-se que o Hidrogênio (11H) possui apenas um próton em seu núcleo, e um elétron na eletrosfera. Chamamos de isótopo um elemento químico que possui o mesmo número de prótons (número atômico), mas possui um número diferente de massa (prótons + nêutrons). Portanto, um elemento químico que possui um próton e um nêutron, é um isótopo do 11H, chamado de Deutério (12H). Existe, ainda, um elemento químico que possui apenas um próton, tal como o 11H, mas possui dois nêutrons, sendo ele também um isótopo do 11H, chamado de Trítio (13H).

Em resumo, o elemento químico Hidrogênio 11H possui dois “primos pesados” (isótopos), o Deutério 12H e o Trítio 13H.

Hidrogênio e seus isótopos

Voltando ao processo de geração de energia das estrelas, para ser mais preciso, as reações de fusão nuclear mais comuns são entre os “primos pesados” do 11H, ou seja, entre os seus isótopos. Tal reação de fusão nuclear forma Hélio (24He), libera um nêutron (01n), bem como libera uma quantidade enorme de energia. Podemos representar tal processo de fusão nuclear da seguinte maneira:

Se somarmos as massas do Deutério 12H com o Trítio 13H, e compararmos com a massa do Hélio 24He somada com a massa do nêutron 01n, veremos que existe uma diferença. Ou seja, a massa do lado direito da equação química é menor do que a massa do lado esquerdo da mesma equação. Albert Einstein (1879 – 1955), no ano de 1905, publicou um trabalho em que demonstrou que matéria e energia podem ser consideradas como “duas versões de uma mesma história”. Em outras palavras, Einstein mostrou que matéria pode ser convertida em energia, e energia pode se transformar em matéria. A síntese desse seu importante trabalho é representada pela fórmula:

E=mc²
Onde,
E→energia;
m→massa;
c→velocidade da luz (299 792 458 m/s)

Ou seja, essa diferença de massa entre o lado direito e o lado esquerdo da equação química, a massa faltante, foi convertida em energia.

4ª Etapa: Reatores de fusão nuclear

Vale ressaltar, mais uma vez, que a energia liberada durante uma reação de fusão nuclear é muito maior do que a energia liberada durante uma reação de fissão nuclear. Em síntese:

Energia liberada na fissão nuclear ≪ Energia liberada na fusão nuclear

Para que a fusão nuclear ocorra, algumas condições físicas específicas precisam ser obedecidas. De forma tal que, em uma estrela como o Sol, o confinamento gravitacional do combustível nuclear (majoritariamente H), a alta pressão no núcleo da estrela, e temperaturas (no núcleo) da ordem de milhões de graus Celsius, configuram condições físicas suficientes para a fusão nuclear acontecer de forma natural (espontânea). Na Terra, certamente, tais condições não são naturalmente atendidas.

O fato de o processo de fusão nuclear liberar muitíssima energia chamou a atenção de diversos(as) cientistas de todo o mundo. Eles(as) vislumbraram nesse processo uma possível fonte de energia “virtualmente” inesgotável, posto que a quantidade de Deutério e Trítio (7) na Terra seria capaz de suprir as nossas necessidades energéticas por séculos, milênios… Além de liberar muitíssima energia, a fusão nuclear tem como produto final um gás nobre, o Hélio (He) (8) , ou seja, não produz elementos químicos nocivos (radioativos) para a saúde dos seres vivos.

(7)Esse isótopo do Hidrogênio pode ser produzido em quantidades mais do que suficientes para suprir as nossas necessidades energéticas, por um longo tempo.
(8)O mesmo gás que é utilizado para encher balões de festas, flutuantes. A densidade do gás Hélio é menor do que a densidade da nossa atmosfera e, por esse motivo, ele sobe.

Diante de tais características, a obtenção de energia por meio do processo de fusão nuclear tornou-se praticamente um sonho, uma das grandes metas a ser alcançada pela comunidade de físicos(as) nucleares. Para isso, é necessária a construção de usinas termonucleares com reatores de fusão nuclear. A tarefa é bastante ousada. De certa forma, os(as) físicos(as) querem criar “mini estrelas” na superfície da Terra! Com uma “pequena” diferença, as “mini estrelas” criadas em laboratório teriam que atingir temperaturas da ordem de 150 milhões de graus Celsius! “Apenas” 10 vezes maior que a temperatura do núcleo do nosso Sol (15 milhões de graus Celsius).

Não existe nenhum material criado, sequer imaginado, pelo ser humano, que seja capaz de suportar tamanha temperatura. Enfrentando o desafio, buscou-se conceber alguma forma de construir reatores para efetuar a fusão nuclear na Terra. Assim, seria preciso confinar um plasma (9) composto por Deutério e Trítio a uma temperatura da ordem de 150 milhões de graus Celsius, para simular as condições físicas obtidas nas estrelas, promovendo, assim, a fusão nuclear.

Contornando o problema de não existir material capaz de confinar um plasma com tamanha temperatura, criou-se mecanismos para construir um confinamento magnético do plasma, de tal forma que o plasma não tenha contato com nenhum material. Do contrário, o material é evaporado.
Devido às condições físicas tão específicas e complexas, um possível problema em um reator de fusão nuclear não oferece grandes riscos, tal como uma explosão, pois o plasma resfriaria, e a fusão cessaria.

Inúmeros desafios científicos e tecnológicos foram parcialmente superados, e, em diversos centros de pesquisa em todo o mundo, realizou-se a fusão nuclear. Contudo, um reator de fusão nuclear ainda não é economicamente viável, pois a quantidade de energia utilizada para fazer o plasma fundir é muito maior do que a quantidade de energia liberada pela fusão dos elementos leves que compõem o plasma, gerando elementos mais pesados. Não obstante, a comunidade científica continua enfrentando os mais diversos desafios científicos e tecnológicos, criando soluções para situações nunca antes imaginadas. Grandes avanços na área de pesquisa para a produção de energia nuclear por fusão já ocorreram, e seguem ocorrendo.

Geralmente, o tempo da ciência é muito diferente do tempo da vida cotidiana. De forma que, para um(a) cientista, falar que em algumas décadas seremos capazes de ter energia “virtualmente” ilimitada graças a reatores de fusão nuclear pode lhe parecer algo como “muito em breve”.

(9) Neste nível de discussão, o plasma pode ser identificado como o quarto estado da matéria, em que os elétrons dos átomos que a compõem estão livres, ou seja, em que a matéria é formada por íons.

Plano de aula elaborado pelo Professor Elves Silva Moreira
Revisão textual: Professora Daniela Leite Nunes
Coordenação Pedagógica: Prof.ª Dr.ª Aline Monge

Materiais Relacionados

● Para ler conteúdos sobre fusão nuclear:

Brasil Escola 
Acesso em: 30 de março de 2022.

Mundo Educação
Acesso em: 30 de março de 2022.

Jornal da USP
Acesso em: 30 de março de 2022.

Energia nuclear
Acesso em: 30 de março de 2022.

Portal USP
Acesso em: 30 de março de 2022.

Brasil Escola
Acesso em: 30 de março de 2022.

Fusão Nuclear
Acesso em: 30 de março de 2022.

● Para ver vídeos sobre fusão nuclear:

A Fusão Nuclear Explicada: Energia do Futuro? – Ciência Todo Dia
Acesso em: 30 de março de 2022.

Por que é tão Difícil de fazer Fusão Nuclear? – Ciência Todo Dia
Acesso em: 30 de março de 2022.

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