Fusão Nuclear vs Fissão: Um Físico Explica a Diferença

Globalmente, a energia nuclear é responsável por cerca de 10 por cento da geração de eletricidade. Em alguns países, como a França, este número é de quase 70 por cento.

Grandes empresas de tecnologia como o Google estão também recorrendo à energia nuclear conhecer as enormes demandas de energia de seus data centers.

A fonte de toda energia nuclear é a energia de ligação de um átomo. A energia armazenada em um átomo pode ser liberada de duas maneiras principais: fissão ou fusão. A fissão envolve a divisão de átomos grandes e pesados ​​em átomos menores e mais leves. A fusão envolve a combinação de pequenos átomos em átomos maiores.

Ambos os processos liberam muita energia. Por exemplo, um decaimento da fissão nuclear do U235, um isótopo de urânio normalmente utilizado como combustível na maioria das centrais eléctricas, produz mais de 6 milhões de vezes a energia por única reacção química do carvão mais puro.

Isso significa que são ótimos processos para geração de energia.

O que é fissão?

A fissão é o processo por trás de todas as usinas nucleares em operação atualmente. Ocorre quando uma minúscula partícula subatômica chamada nêutron se choca contra um átomo de urânio, dividindo-o.

Isto liberta mais neutrões, que continuam a colidir com outros átomos, desencadeando uma reacção nuclear em cadeia. Isso, por sua vez, libera uma quantidade enorme de energia.

Para converter essa energia em eletricidade é instalado um trocador de calor, que transforma água em vapor, acionando uma turbina para produzir energia.

A reação de fissão pode ser controlada suprimindo o fornecimento de nêutrons. Isto é conseguido através da inserção de “hastes de controle” que absorvem nêutrons.

Historicamente, acidentes nucleares como Chernobyl ocorreram quando as hastes de controle não conseguem acionar e extinguir o fornecimento de nêutrons e/ou a circulação do refrigerante falha.

Os chamados projetos de “terceira geração” melhoram os projetos anteriores, incorporando recursos de segurança passivos ou inerentes que não requerem controles ativos ou intervenção humana para evitar acidentes em caso de mau funcionamento. Essas características podem depender de diferenciais de pressão, gravidade, convecção natural ou da resposta natural dos materiais a altas temperaturas.

Os primeiros reatores de terceira geração foram os Reatores avançados de água fervente Kashiwazaki 6 e 7 no Japão.

Um desafio não resolvido para a fissão é que os subprodutos da reação são radioativos por um longo período, na ordem de milhares de anos. Se reprocessados, a fonte de combustível e os resíduos também podem ser usados ​​para fabricar uma arma nuclear.

A energia de fissão é uma tecnologia demonstrada. Também é escalável desde grande escala (a maior é a Usina Nuclear Kashiwazaki-Kariwa, de 7,97 gigawatts, no Japão) até reatores de pequeno a médio porte que produzem cerca de 150 megawatts de eletricidade, usados ​​em um navio ou submarino nuclear.

Estes são os reatores que irão alimentar os oito submarinos nucleares da Austrália prometidos como parte de uma parceria de segurança trilateral com o Reino Unido e os Estados Unidos.

O que é fusão?

A fusão é o processo que alimenta o Sol e as estrelas. É o processo oposto à fissão. Ocorre quando os átomos são fundidos.

A reação mais fácil de iniciar em laboratório é a fusão de isótopos de hidrogênio, deutério e trítio. Por unidade de massa, a reação produz 4 vezes mais energia que a fissão do U235.

O íon combustível deutério é incrivelmente abundante na Terra e no universo. O trítio é radioativo com meia-vida de 12 anos, por isso é muito raro na Terra.

O universo tem 13,8 bilhões de anos; os únicos isótopos de núcleos leves (hidrogênio, hélio e lítio) encontrados na natureza são aqueles que são estáveis ​​nessas escalas de tempo.

Numa central de fusão, o trítio seria fabricado utilizando uma “manta de lítio”. Esta é uma parede sólida de lítio na qual os nêutrons de fusão diminuem a velocidade e finalmente reagem para formar trítio.

No entanto, actualmente é muito difícil para os cientistas criar uma reacção de fusão fora do laboratório. Isso porque requer condições incrivelmente quentes para se fundir: as condições ideais são 150 milhões de graus Celsius.

A estas temperaturas, os iões combustíveis existem no estado de plasma, onde os electrões e os iões (nucleares) estão dissociados. O subproduto deste processo não é radioativo; em vez disso, é hélio, um gás inerte.

O caminho tecnológico líder para demonstrar a fusão sustentada é chamado de “confinamento magnético toroidal”. Isto ocorre quando o plasma é confinado a temperaturas extremas em uma garrafa magnética muito grande em forma de rosca.

Ao contrário da fissão, este caminho tecnológico requer aquecimento externo contínuo para atingir condições de fusão e um forte campo confinante. Termine qualquer um deles e a reação para.

O desafio não é o colapso descontrolado, mas sim fazer com que a reação ocorra.

Um grande desafio não resolvido para a fusão por confinamento magnético toroidal, que atrai a maioria do interesse da pesquisa, é a demonstração de um plasma autoaquecido em chamas. É quando a potência de aquecimento produzida pela própria reação é primária. Este é o objectivo da multinacional financiada publicamente Projeto ITERo maior experimento de fusão do mundo, e o financiamento privado Experimento SPARC no Instituto de Tecnologia de Massachusetts.

No entanto, o consenso de grande parte da comunidade científica é que a fusão não será comercialmente viável até pelo menos 2050.

Uma solução climática?

Muitas vezes me perguntam se a energia nuclear poderia salvar a Terra das alterações climáticas. Tenho muitos colegas na área das ciências climáticas e, de facto, a minha falecida esposa era uma cientista climática de alto nível.

A ciência é clara: é tarde demais para travar as alterações climáticas. O mundo precisa de fazer tudo o que estiver ao seu alcance para reduzir as emissões de dióxido de carbono e minimizar os danos catastróficos, e precisa de o ter feito há décadas.

Para o planeta, a fissão faz parte dessa solução global, juntamente com a implementação generalizada e a adoção de fontes de energia renováveis, como a eólica e a solar.

Numa escala de tempo mais longa, espera-se que a fusão possa substituir a fissão. O fornecimento de combustível é muito maior e distribuído de forma ubíqua, o problema dos resíduos é muito menor em volume e escala de tempo, e a tecnologia não pode ser transformada em arma.

Mateus Buraco Professor, Instituto de Ciências Matemáticas e Escola de Computação, Universidade Nacional Australiana