Fissão e Fusão

Prof. Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br 

Matéria e Energia
Até agora descrevemos a estrutura do átomo e o núcleo do mesmo, analisando parcialmente certos fenômenos associados a eles. Nesta Parte 6, vamos tratar de expor como o homem logrou "extrair" e utilizar a extraordinária energia "armazenada" no núcleo do átomo.

Em princípios do século XX (1905), Einstein deu a conhecer sua teoria especial da relatividade. Nela, o grande cientista estabeleceu que "matéria e energia são apenas duas manifestações diferentes da mesma realidade física fundamental e que podem converter-se, uma em outra, segundo a equação:

E = m.c² ".        (6.1)

Anos mais tarde, Rutherford (1914), com aquele talento notável que o fazia pensar no futuro, indicou a possibilidade de "alterar o núcleo de um átomo por colisão direta de tal núcleo com elétrons rápidos ou com átomos de hélio (partículas beta, ou alfa, respectivamente) como os que emitem a matéria radioativa".

As novas idéias, que na Parte 3 intitulamos de "Comoção na Física", assim como as descobertas do nêutron e da radioatividade, artificial ou induzida, iniciaram outra etapa que desempenharia papel determinante no futuro da ciência e no destino da humanidade.

No estudo da estrutura nuclear, consideramos o núcleo como sendo constituído de prótons e nêutrons, ficando claro, porem, que a massa desse núcleo era menor que a soma das massas de seus componentes. Esta pequena diferença em massa é equivalente a uma enorme quantidade de energia, de acordo com a equação de Einstein. Por exemplo, a energia liberada ao se formar um núcleo de hélio, pela combinação de dois prótons e dois nêutrons, é sete milhões de vezes maior do que a que se liberta ao se queimar carvão segundo o processo ordinário de combustão.

Logo, se se podem combinar dois nuclídeos leves para formar um mais pesado, o núcleo pesará menos que a soma dos dois originais, aparecendo a diferença em massa na forma de energia.

Por outro lado, se um núcleo pesado pudesse ser dividido em partes menores, a soma das massas do pagamento seria menor do que a massa do núcleo original.

Em ambos os processos, uma pequena quantidade de matéria desaparece, a qual, de acordo com a teoria especial da relatividade, aparecera na forma de uma enorme quantidade de energia. Estes processos, hoje conhecidos pelo homem, são a fusão e a fissão nucleares.

O que se havia prognosticado, converteu-se em realidade quando, em 02 de dezembro de 1942, foi posto em funcionamento, em Chicago (E.U.A.), o primeiro reator nuclear, utilizando o processo de fissão. O homem havia iniciado o aproveitamento da energia nuclear.

Reações Nucleares
O processo da emissão espontânea de partículas alfa, por substancias radioativas naturais, foi utilizado para provocar, com êxito, “transformaçoes” em núcleos estáveis. Com efeito, quando uma partícula nuclear externa,utilizada como “projétil”, sofre interação com o núcleo de um átomo, torna-se possível produzir, ou provocar, uma reação nuclear.

Em 1936, Bohr estabeleceu a idéia de um núcleo composto nas reações nucleares. Segundo tal idéia, um projétil, ou partícula, ao penetrar o núcleo de um átomo, dava lugar ao aparecimento de um núcleo composto em “estado excitado”. Em seguida, este núcleo composto emitia uma, ou mais, partículas acompanhadas, ou não, de raios gama.

Fig. 6.1- Reação nuclear

Ao se formar o “núcleo composto”, os núcleons mover-se-ão, no interior do mesmo, com maior rapidez e o processo seguinte, formação do núcleo resultante e emissão de partículas e raios gama, dependera da energia da partícula incidente, dos chamados “processos de saída” etc. Quando as energias das partículas incidentes são muito elevadas supõe-se que a reação nuclear se dê diretamente, sem formação do núcleo composto; este processo é chamado de “spallation” ou “fragmentação” (ou ainda, desmoronamento).
Se utilizarmos o modelo da gota liquida (veja na Parte 3 os Modelos Nucleares), a interpretação resultante para o “núcleo composto” se torna interessante. Pode-se representa-lo por urna “gota de líquido quente” que, ao “evaporar-se” uma ou mais moléculas (desintegração do núcleo composto dando lugar ao núcleo resultante e emitindo partículas e raios gama), vai-se “esfriando” até alcançar seu estado final.

As primeiras experiências, nas quais se observa uma transmutação nuclear, foram feitas por Rutherford em 1919. Utilizando Ra C’ como fonte emissora de partículas alfa e nitrogênio comum como “alvo”, Rutherford provocou a reação:

⁴₂He + ¹⁴₇N ===>  ¹⁷₈O + ¹₁H    (6.2)

na qual a partícula alfa, ao ser “absorvida” pelo núcleo de nitrogênio, dá lugar à formação do oxigênio-17 (isótopo do oxigênio), emitindo-se um próton.

Em 1930, Cockcroft e Walton projetaram um acelerador de prótons. Realizou-se, então, a seguinte reação:

⁷₃Li + ¹₁H  ===>  (⁸₄Be)(núcleo composto)  ===>  ⁴₂He + ⁴₂He     (6.3)

Utilizando prótons de alta velocidade como 'projéteis' e lítio-7 como ”alvo”, conseguiram-se duas particu1as alfa. Esta reação teve grande importância, pois serviu para comprovar que os núcleos dos átomos podiam ser penetrados por partículas com energias menores que o valor necessário para ultrapassar a “barreira de potencial” (veja na Parte 5, Desintegração Alfa).

Fig. 6.2. Modelo nuclear de Gamow.

O uso das reações nucleares para provocar “transmutaçoes” tornaram-se cada vez maior. Em 1934, o casal Joliot-Curie produziu isótopos radioativos, pela primeira vez, ao descobrir o fósforo-30 (radioativo), bombardeando alumínio com partÍculas alfa.

A reação pode ser representada por:

²⁷₁₃Al + ⁴₂He  ===> ³⁰₁₅P + ¹₀n          (6.4)

O ³⁰P é radioativo e, por desintegração b+ , com perÍodo de semi-desintegração de 2,6 minutos, passa a silício-14:

³⁰₁₅P  ==(⁰₊₁b)(T_1/2=2,6min)==>  ³⁰₁₄Si       (6.5)

Um ano antes (1933), a radioatividade induzida fora observada por Joliot-Curie, ao bombardearem” boro-10 com partículas alfa:

¹⁰₅B + ⁴₂He  ===>  ¹³₇N + ¹₀n         (6.6)

Eles sugeriram que o nitrogênio produzido era instável e que se desintegrava, por emissão de pósitrons (b+), a carbono-13, assim:

¹³₇N  ===>  ¹³₆C + ⁰₁e(pósitron)      (6.7)

Em 1935 receberam o premio Nobel por sua descoberta.

Com o desenvolvimento do ciclotron e outras maquinas aceleradoras(Betatron, Síncrotron etc.) foi possível dispor de “projéteis” com velocidades maiores, Ademais, lograram-se muitos tipos de reações nucleares utilizando outra espécie de partículas. Principalmente, a descoberta do nêutron, em 1932, marcou uma época sem precedentes, pois devido a ausência de carga e alto poder de penetração, foi utilizado especialmente por Fermi para “penetrar” os núcleos dos elementos pesados que possuem carga elétrica elevada.

As reações nucleares, usualmente, se abreviam com símbolos. Assim, por exemplo, o bombardeio de alumínio-27 com prótons para dar magnésio-24 e partículas alfa representa-se, em forma abreviada,por:

²⁷₁₃Al + ¹₁H  ===>  ²⁴₁₂Mg + ⁴₂He      (6.8)

Secção de Choque
A probabilidade de que uma partícula, utilizada como “projétil” numa reação nuclear, sofra interação com um núcleo se descreve introduzindo o conceito de secção de choque. Sabemos que, quando um núcleo é “bombardeado” com partículas de uma determinada espécie, podem-se realizar diferentes processos: espalhamento (recorde-se da experiência de Rutherford que provou a existência do núcleo); transmutação de um elemento, provocando,em determinados casos, o surgimento de elementos radioativos; partição ou rompimento do núcleo (fissão); etc. A probabilidade de que estes efeitos aconteçam,descreve-se em termos da secção de choque.
Como descreveremos este conceito?

Se imaginarmos cada núcleo alvo apresentando uma área de interação para as particulas incidentes, ou projéteis, tal que, qualquer partícula que atinja esta área, sofra interação com o núcleo, teremos uma idéia do que representa a secção de choque. Ou seja, é uma "área imaginaria associada a cada núcleo" tal que, se o projétil chega a esta área, a reação nuclear acontecerá.
Quanto maior for esta área, tanto maior será a probabilidade de que se produza o evento. A secção de choque pode ser maior ou menor do que a "secção de choque geométrica" (se pudéssemos medir o raio de um núcleo - r -, sua área seria p.r2 que é o que se chama de secção de choque geométrica).

Fig. 6.3. Conceito de secção de choque.

A secção de choque varia de acordo com a energia da partícula incidente e com o processo que se considere. A unidade que se utiliza para medi-la é o barn, equivalente a 10^-28 m².

Fig. 6.4. O número de partículas N, que penetram num alvo, diminui exponencialmente com a espessura x do alvo.

A Descoberta da fissão Nuclear
Entre os físicos do século XX é difícil encontrar algum que seja igualmente destacado nos campos teórico e experimental. O caso de Enrico Fermi é urna exceção; dotado de qualidades extraordinárias em ambos os campos,foi um dos físicos mais notáveis desta época. Não podemos sequer iniciar o estudo da fissão nuclear sem que apareça seu nome. Como menciona Lise Meitner (descobridora da fissão, juntamente com Hahn, Strassmann e Frisch), o pioneiro no estudo da fissão foi Fermi.

Com efeito, depois da descoberta do nêutron e da radioatividade artificial, Fermi iniciou uma série de experiências ”bombardeando, com nêutrons, quantos elementos pode, obtendo, assim, uma série de radioisótopos, a qual incluía elementos pesados”. Bombardeando urânio com nêutrons, Fermi chegou a um resultado que pensou tratar-se de elementos de números atômicos maiores do que o número atômico do urânio (elementos transurânicos), até então, o de mais alto valor conhecido.

Segundo expressa Lise Meitner, “ela achou estas experiências tão interessantes que persuadiu a Otto Hahn e depois a Strassmann, a continuarem colaborando juntos, visando a resolver estes problemas”. A partir de 1934, estabeleceu-se uma estreita colaboração entre estes pesquisadores.

Ao examinar o comportamento do urânio bombardeado com 'nêutrons lentos’ eles demonstraram, quimicamente, a formação de um emissor b, o urânio-239. Evidentemente, a emissão de partículas beta praticamente comprovava a presença de um elemento transurânicos (veja emissão b^-, na Parte 5). Mais tarde, este elemento foi denominado netúnio (número atômico 93).

Posteriormente, Irene Curie e Savitch informaram, ainda que com duvida, a descoberta de um elemento transurânicos de 3 horas e meia de meia-vida, que tinha um comportamento parecido ao lantânio, um dos chamados ”terras raras” na tabela periódica dos elementos. Hoje se sabe que este “elemento” de 3 horas e meia de meia-vida não era senão uma mistura de bário e lantânio.

A experiência foi repetida por Hahn e Strassmann que concluíram que não se tratava de um elemento novo e sim de uma mistura de isótopos do radio, emissores beta. não obstante, ao tratar de separar estes isótopos do radio, observaram, com surpresa extraordinária, que se tratava de isótopos do bário, cujo número de massa era muito menor do que o do rádio ou do urânio.

Otto Hahn escreveu a Lise Meitner explicando o surpreendente resultado obtido (Natal, 1938); esta e Frish ofereceram uma explicação ao fenômeno.Sem duvida alguma, estavam frente a um processo completamente diferente dos já conhecidos. Utilizando “o modelo da gota liquida” para o núcleo de urânio, estes pesquisadores concluíram, em sua famosa comunicação: “Um novo tipo de reação nuclear", que, devido ao elevado número de prótons no núcleo de urânio, a tensão superficial do mesmo diminuía, devido à repulsão dos prótons. Ao se bombardear urânio com nêutrons, estes eram capturados pelos núcleos daquele (ver fig. 6.5), convertendo-se o urânio em um núcleo tal que, o movimento de prótons e nêutrons no mesmo, se tornava violentíssimo (provocando oscilações extraordinárias), produzindo-se finalmente, a fissão ou bipartição do mesmo e liberando-se uma tremenda quantidade de energia. A fissão nuclear era uma realidade.

A partir deste momento (1939), o estudo da fissão nuclear converteu-se em tema de estudo no mundo inteiro, culminando com a aparição do primeiro reator nuclear (1942) e a explosão da bomba atômica (1945).

Fig. 6.5- Fissão do Urânio-235

Mecanismo da Fissão
Ao desenvolvermos o tema da descoberta da fissão nuclear, mencionamos que o modelo nuclear mais adequado para explica-la era o modelo da gota líquida.

Com efeito, se imaginamos o núcleo como uma “gota líquida” constituída pelos núcleos (prótons e nêutrons), podemos pensar em forças como a “tensao superficial” atuando no mesmo. Se considerarmos os prótons e os nêutrons como “esferazinhas” na “gota liquida”, estas estarão “ligadas” pelas chamadas forças nucleares (já mencionadas) de curto alcance e sempre de atração, às quais atribuímos, de certa forma, a estabilidade do núcleo. Sem duvida, é necessário levar em conta as forças repulsivas entre os prótons, ou repulsão de Coulomb.

Ao aumentar o número de prótons as forças repulsivas aumentarão consideravelmente e, segundo observamos nos núcleos pesados, o número de nêutrons é maior do que o número de prótons; desta maneira, obtém-se as forças atrativas adicionais para contrabalançar a “repulsao coulombiana” e garantir,de certa forma, a estabilidade de um núcleo pesado.

O núcleo, concebido então como uma gota liquida, será capaz de ‘oscilar' se utilizando-se o procedimento adequado, for levado a um estado de excitação.

Quando isto ocorre, a forma da "gota liquida” muda como se indica na fig. 6.6. As forças de tensão superficial tratam de compensar as forças repulsivas, assim como a inércia da matéria. Se este estado de excitação não é grande, as forças de superfície são suficientes para compensar as forças repulsivas e, o núcleo perdera este estado de excitação por simples emissão de radiação gama.

Imaginemos agora que tal estado de excitação é elevado; por exemplo, consideremos o núcleo de um elemento pesado como o urânio-235, com 92 prótons e 143 nêutrons, que se bombardeia com “neutrons lentos”(explicamos esse termo mais adiante). É possível que este núcleo “capture” ou absorva um nêutron.  A energia deste é suficiente para levar o núcleo de urânio a um estado altamente excitado. A gota liquida, com a qual representamos o núcleo, começa a oscilar, os nucleons movem-se com maior “rapidez”, o volume da “gota liquida” permanece constante, porem, a área total aumenta com as vibrações (ver fig. 6.6). Se estas são suficientemente fortes, finalmente o núcleo fissiona-se.

Fig. 6.6- Explicação da fissão nuclear utilizando o modelo da “gota líquida”.

Para se conhecer a energia média liberada na fissão do ²³⁵₉₂U suponhamos que na fissão são produzidos dois fragmentos, ou núcleos tais que, ao somar os números de massa, antes e depois da fissão, observa-se uma perda de massa de 0,2146 unidades de massa atômica, como por exemplo:

¹₀n + ²³⁵₉₂U  ===>  ¹⁴¹₅₆Ba + ⁹²₃₆Kr + b¹₀ + energia     (6.9)

então, lembrando que 1 u.m.a. = 931 MeV, teremos 0,2146 u.m.a  ~ 200 milhões de elétron-volts por núcleo; compare-se com 4 elétron-volts por molécula, produzidos na combustão ordinária. Os fragmentos não podem ser mantidos unidos. A distancia de separação entre tais fragmentos é tal que ficam fora do alcance das forças nucleares (curto alcance); sem duvida, a repulsão eletrostática faz então, com que os núcleos se separem com extraordinária energia. O núcleo fissionou-se libertando enorme quantidade de energia.

Os produtos da fissão são instáveis, têm excesso de nêutrons e, por sua vez, seguem cadeias de desintegração mediante emissão b^- ou emissão de nêutrons, que conduzem a nuclídeos estáveis, por exemplo, no caso de fissão do ²³⁵₉₂U, se os produtos de fissão são os indicados, estes seguirão as transformações:

 ¹⁴¹₅₆Ba ==(b)[18min]==> ¹⁴¹₅₇La ==(b)[3,7 h]==> ¹⁴¹₅₈Ce ==(b)[33 dias]==> ¹⁴¹₅₉Pr      (6.10)

 ⁹²₃₆Kr ==(b)[3 s]==> ⁹²₃₇Rb ==(b)[75,3 s]==> ⁹²₃₈Sr ==(b)[2,6 h]==> ⁹²₃₉Y ==(b)[3,6 h]==> ⁹²₄₀Zr (6.11)

A transformação dos produtos da fissão, por emissão b^-, ou por emissão de nêutrons, “depende da energia do núcleo com respeito a cada um destes processos".

Quando a fissão nuclear tem lugar, a maior parte dos nêutrons são emitidas num curto intervalo de tempo. Estes nêutrons são chamados de instantâneos (ou prontos). Contudo, menos de 1% dos nêutrons são emitidos posteriormente. Estes nêutrons, provenientes da desintegração dos produtos de fissão, são chamados nêutrons atrasados.

Fig. 6.7- Emissores de nêutrons atrasados.

Determinou-se que, em média, são libertados 2,5 nêutrons, na fissão do urânio-235.

Na fig. 6.8. encontramos a representação das energias dos nêutrons instantâneos.

Fig. 6.8- Gráfico das energias dos nêutrons instantâneos na fissão do urânio-235.

A energia média dos raios gama emitidos na fissão do urânio-235 é de aproximadamente 23 MeV.

A fissão nuclear tem sido estudada, utilizando-se outros elementos ou isótopos de um mesmo elemento: tório, plutônio-239, urânio-238, urânio-233 etc., variando-se o “projétil” ou método para a excitação do núcleo. Desta forma, a fissão tem sido produzida por bombardeio com raios gama ou prótons; inclusive, pode-se pensar em “fissao espontânea” em núcleos muito instáveis; contudo, é mais provável que, neste ultimo caso, os núcleos sigam desintegração alfa.

Em nosso estudo da fissão sempre temos mencionado elementos pesados,embora, teoricamente, seja possível pensar na fissão de qualquer elemento se tivéssemos energia suficiente. Contudo, o processo só tem “significado pratico” quando o núcleo tem número atômico > ou = a 90. Em Berkeley, 1951, utilizando-se de prótons de alta energia conseguiu-se a fissão de elementos leves, tais como:

⁶³Cu + prótons  ===>  ³⁸Cl + ²⁵l + n

Numerosos núcleos atômicos são produzidos pela fissão do urânio e do tório ao se bombardeá-los com nêutrons; este fato faz pensar em que, tanto o núcleo de tório quanto o do urânio, pode “romper-se” de varias formas ou de maneiras diferentes, ao absorver um nêutron. Sem duvida, os produtos de fissão conhecidos têm números atômicos compreendidos entre 30 e 63, dependendo esta distribuição da energia de excitação disponível para os processos de fissão ou “bipartição”.

Fig. 6.9- Gráfico que mostra os rendimentos nos produtos da cadeia de cisão do urânio-235, em função do número de massa.

Elementos Transurânicos
Chamaram-se elementos transurânicos aos que possuem números atômicos maiores que 92 (urânio). O primeiro destes elementos e o netúnio, obtido pelo bombardeamento do urânio com nêutrons de baixa energia. Neste caso, pode-se produzir fissão do urânio-235, porém o urânio-238 absorve um nêutron passando a urânio-239 que, posteriormente, se desintegra (desintegração beta), com uma meia vida de 23 minutos, a netúnio-239, da seguinte forma:

²³⁸₉₂U + ¹₀n ====>  ²³⁹₉₂U
                                     ||
                                     ||
                                     \ /
                                                                   ²³⁹₉₃Np + e^-             (6.12)

Por sua vez o netúnio é radioativo e, por desintegração beta, dá plutônio:

²³⁹₉₃Np  ====> ²³⁹₉₄Pu + e^-          (6.13)

O plutônio foi o primeiro elemento produzido pelo homem em quantidades apreciáveis e tem quinze isótopos conhecidos, todos radioativos. Destes, o mais importante é o plutônio-239, pois é físsil e pode ser utilizado como fonte de energia.

Fig. 6.10- Fissão do plutônio-239.

O elemento plutônio, segundo dos elementos transurânicos, foi descoberto por Arthur Wahl, Glenn T. Seaborg e Joseph Kennedy e seu nome foi sugerido pelos dois primeiros em honra de Plutão, o segundo planeta em nosso sistema solar depois de Urano.

A energia nuclear liberada por uma 0,5 kg de plutônio é equivalente à energia produzida pela combustão de 1 500 000 kg de carvão:

Fig. 6.11- Comparação da energia liberada por 0,5 kg de plutônio-239 e seu equivalente em carvão.

Vários elementos transurânicos foram produzidos no laboratório e a tabela periódica, que até há poucos anos, se estendia só até o urânio (número atômico 92), hoje conta com novos elementos (transurânicos). 

Reação em Cadeia
Na fissão de elementos pesados ²³³U, ²³⁵U, ²³²Th, ²³⁹Pu etc., é emitido mais de um nêutron e, já que esta partícula pode provocar novas fissões, em determinadas condições, e possível conseguir uma reação em cadeia ou auto mantida. A energia liberada num processo deste tipo é extraordinária ... e, nem sempre foi possÍvel controlá-la. Eis um exemplo de reação em cadeia:

O controle da fissão é hoje uma realidade que permite ao homem utilizar, de modo seguro, uma fonte de energia extraordinária. A produção de energia nuclear se consegue mediante o emprego dos reatores nucleares.

Fusão Nuclear
Até aqui tratamos, com minúcias, o fenômeno da divisão ou fissão de um núcleo em fragmentos menores. Ao terminarmos, poderíamos perguntar: seria possível pensar no fenômeno inverso? Isto é, poderíamos combinar os núcleos de elementos leves, digamos, hidrogênio, para dar lugar a elementos mais pesados? Que quantidade de energia obteríamos neste processo? 

Para começarmos o estudo da fusão nuclear, podemos dizer que se a energia produzida no fenômeno da fissão nos pareceu extraordinária, a que se obtém, ao realizar-se a combinação ou fusão de elementos leves, é ainda maior.

O estudo atual da fusão pretende, precisamente, colocar nas mãos do homem a tremenda energia liberada nestes processos de forma controlada.

Pensemos no Sol, uma de nossas maiores fontes de energia. Como é possível que, durante séculos, este tenha estado a nos proporcionar luz/calor, brilhando de maneira extraordinária? A que se deve o processo que se realiza nas estrelas separadas de nosso planeta por distancias impossíveis de imaginar? 
Hoje em dia sabemos que o Sol é constituído, basicamente por hidrogênio* com temperaturas tais (40 000 000^o perto de seu centro) que os núcleos de hidrogênio podem combinar-se ou fusionar-se para dar lugar a núcleos de hélio, com certa perda de massa que aparece em forma de imensas quantidades de energia. O processo, sem duvida, é lento e, afortunadamente , o Sol continuara brilhando, como fez até agora, por muitos milhares de anos.

PoderÍamos tentar reproduzir esta reação termonuclear** na terra, entretanto, foi mais fácil provocar o processo de fusão entre núcleos de deutério (isótopo do hidrogênio, com um nêutron e um próton no seu núcleo ) e túlio, outro isótopo com um nêutron adicional (dois nêutrons e um próton no núcleo). Estes núcleos sofrem fusão de forma mais rápida. O deutério e o trítio, talvez possam constituir os principais combustÍveis em um “reator termonuclear” do futuro.

* Na realidade o Sol é constituído pelo que se chama plasma, "gás quente”, uma mistura caótica de elétrons livres e íons de hidrogênio (átomos que perderam seu elétron).
** Também chamou-se assim a fusão nuclear, devido às altas temperaturas nas quais ela se realiza.

Mecanismo da fusão e Problemas associados com a mesma
A fim de explicar o fenômeno da fusão que se realiza no sol, utilizou-se a cadeia de reações que alguns chamam de ciclo do carbono e que expressamos em continuação:

¹₁H + ¹²₆C  ===> ¹³₇N + gama

          ¹³₇N ===> ¹³₆C + e + n

¹₁H + ¹³₆C ===> ¹⁴₇N + gama

¹₁H + ¹⁴₇N  ===> ¹⁵₈O + gama

            ¹⁵₈O ===> ¹⁵₇N + e⁺ + n

                      ¹₁H + ¹⁵₇N ===> ¹²₆C + ⁴₂He           (6.14)

Somando-se as equações anteriores, o resultado é equivalente à fusão de quatro prótons (núcleos de hidrogênio) dando uma partícula alfa e dois pósitrons mais raios gama, com uma perda de massa equivalente a uma energia de 24,7 milhões de elétron-volts.

Outra série de processos, descrita como o ciclo próton-próton, foi utilizada para descrever este processo:

¹₁H + ¹₁H ===> ²₁H + e⁺ + n

¹₁H + ²₁H ===> ³₂H + gama

                             ³₂H +  ³₂H ===> ⁴₂He + ¹₁H + ¹₁H         (6.15)

Novamente, o processo resulta na formação de uma partÍcula alfa, dois pósitrons mais raios gama, a partir de quatro prótons. A energia liberada é de 4,7 MeV.

As reações de fusão mais prováveis de serem obtidas e controladas na terra são as seguintes:

²₁H + ²₁H  ===> ³₂He + ¹_on + 3,3 MeV
          dêuteron    dêuteron    hélio -3                               (6.16)

²₁H + ²₁H  ===> ³₁H + ¹₁H + 4 MeV
 dêuteron    dêuteron      trítio                                      

daqui a combinação de um dêuteron com um tríton (núcleo de trítio):

³₁H + ²₁H ===> ⁴₂He + ¹_on + 17,6 MeV

O processo, para produzir uma reação de fusão controlada, apresenta muitos problemas. Em primeiro lugar, temos que pensar que os núcleos,inclusive deutério e trítio, estão carregados positivamente. Quando dois núcleos se aproximam, digamos de deutério, a baixas velocidades, a repulsão será tão grande que seria impossível que chegassem a fusionar~se.* Por isto, é necessário que os núcleos possuam energias elevadíssimas para conseguir vencer a repulsão de Coulomb. A energia necessária foi calculada em 20 000 elétron-volts, mas para alcança-la necessitaríamos elevar a temperatura do deutério a uns 200 milhões de graus. A esta temperatura não se pode sequer considerar o deutério e trítio no estado gasoso. Os elétrons são arrancados do átomo, deixando este ionizado e constituindo uma mistura de elétrons e íons, que se denomina plasma. É necessário, pois a criação de um”plasma quente’.
Certamente teremos que nos perguntar: Que recipiente seria capaz de conter este “plasma” a temperaturas de mais de 200 milhões de graus?

A solução para este problema poderia ser: utilizar um “recipiente de paredes imateriais” difícil de imaginar; mas, pensemos em “paredes constituídas por campos magnéticos" (cortinas magnéticas) que, ao atuar sobre os elétrons e íons, os obrigaria a mover-se em círculos de pequeno raio. Isto parece ser uma solução, entretanto, novos problemas, que não discutiremos aqui, aparecem com essas idéias.

* Recordemo-nos que, para conseguir que as forças nucleares atrativas atuem, teríamos que levar os núcleos a distancias de 10^-13 cm.

Fig. 6.12- Plasma contido por “paredes magnéticas”.

Outro problema difícil de resolver, na fusão controlada, é o do tempo em que o plasma deve ser mantido no “recipiente de paredes imateriais”, para produzir a fusão. Nosso “equipamento de produção de fusão” necessitaria ao menos “encerrar”, ou confinar o plasma durante um segundo ou mais.Aparentemente, o tempo é curto, mas, devemos recordar-nos que estamos em escalas atômicas. Atualmente numerosos projetos desenvolveram-se para encontrar as condições apropriadas que permitam ao homem aproveitar a energia de fusão como já faz com a fusão nuclear.