Aula 174 — Fusão Nuclear (A energia gerada pelas estrelas)

O professor pergunta: "de onde vem a energia que o Sol libera continuamente, há bilhões de anos, na forma de luz e calor?" Ouvir hipóteses.

Perguntar: se dois núcleos leves, como dois núcleos de hidrogênio, têm carga elétrica de mesmo sinal e se repelem, como é possível fazê-los se aproximar o suficiente para se fundirem? Obstáculo a nomear (sem resolver ainda): achar que basta aproximar dois núcleos leves "com força" à temperatura ambiente para provocar a fusão — na prática, é necessária uma energia cinética extraordinariamente alta (temperaturas de milhões de graus) para vencer a repulsão coulombiana.

Apresentação dos slides 2 a 9: assim como a fissão, a fusão nuclear também libera energia por causa da curva de energia de ligação por núcleon (Aula 170) — mas do lado oposto: ao combinar dois núcleos leves (como hidrogênio) num núcleo mais pesado (como hélio), mais próximo do pico de estabilidade em torno do ferro-56, a energia de ligação por núcleon aumenta, e a diferença é liberada como energia. No núcleo do Sol, o ciclo próton-próton converte, em várias etapas, quatro núcleos de hidrogênio-1 em um núcleo de hélio-4, liberando pósitrons, neutrinos e uma grande quantidade de energia (cerca de 26,7 MeV por ciclo completo) — é essa energia, produzida continuamente no núcleo solar, que sustenta o brilho do Sol há cerca de 4,6 bilhões de anos. Essa reação só ocorre porque o núcleo do Sol está a uma temperatura de cerca de 15 milhões de kelvins e sob pressão gravitacional imensa: nessas condições, a matéria existe como plasma (núcleos e elétrons livres, separados), e a altíssima energia cinética dos núcleos é suficiente para, em colisões, vencer a repulsão coulombiana e aproximá-los o bastante para que a força nuclear forte assuma e promova a fusão — isso resolve o obstáculo do Momento 2: não é força mecânica comum, e sim energia térmica extrema, que viabiliza a fusão. Recriar essas condições na Terra, de forma controlada e sustentada, é o desafio central da pesquisa em energia de fusão: dispositivos como os tokamaks usam campos magnéticos intensos para confinar um plasma superaquecido sem que ele toque as paredes do reator (confinamento magnético). A fusão é atraente como fonte de energia — combustível (isótopos de hidrogênio) abundante e sem geração de resíduo radioativo de longa duração — mas, até hoje, nenhum reator de fusão produziu comercialmente mais energia do que consome, permanecendo uma tecnologia em desenvolvimento (como o projeto internacional ITER).

Resolução guiada: comparar coletivamente, em ordem de grandeza, a energia liberada por quilograma de combustível em três processos: combustão química (da ordem de 10⁷ J/kg), fissão nuclear (da ordem de 10¹³ J/kg) e fusão nuclear (da ordem de 10¹⁴ a 10¹⁵ J/kg) — discutindo por que reações nucleares liberam milhões de vezes mais energia por unidade de massa do que reações químicas. Em duplas: discutir por que, apesar de a fusão exigir temperaturas muito mais altas do que a fissão para se iniciar, ela ainda assim é considerada, a longo prazo, potencialmente mais vantajosa como fonte de energia.

Aplicação individual (ou em duplas) da lista de exercícios de fixação (seção 8 deste plano).

Retomar a pergunta do Momento 1: a energia do Sol vem da fusão nuclear de hidrogênio em hélio no seu núcleo, viabilizada pelas temperaturas e pressões extremas ali existentes — a mesma física que a humanidade ainda busca dominar de forma controlada e comercialmente viável na Terra.