Com exceção da energia escura, cuja origem ainda é um mistério, virtualmente toda a energia do universo surge em processos de fusão nuclear. No Sol (Leia mais sobre o Sol aqui) e em outras estrelas, isso ocorre por meio de uma reação em cadeia que se inicia com a fusão de dois prótons, que gera um dêuteron (núcleo do deutério, um isótopo do hidrogênio), um elétron e um neutrino, responsável pela liberação de energia. O dêuteron contém um próton e um nêutron. Portanto, além de liberar energia (por meio do neutrino), essa reação origina o nêutron e o elétron.
Depois, o dêuteron combina-se com outro próton para formar o hélio-3 (composto por dois prótons e um nêutron), que, por sua vez, se junta a outro hélio-3 para formar o hélio-4 (composto por dois prótons e dois nêutrons) e dois prótons. As combinações continuam a ocorrer sucessivamente, até que se formem todos os elementos químicos.
Algumas dessas reações são corriqueiramente reproduzidas em laboratório. Entre todas as possibilidades, a que apresenta maior potencial de aproveitamento energético é a que envolve o dêuteron (D) e o trítio (T), que contém um próton e dois nêutrons. O problema é dominar essa tecnologia de modo que o balanço energético seja positivo em quantidade apreciável. Isto é, a energia gasta para produzir a reação deve ser menor do que a energia liberada.
Depois, o dêuteron combina-se com outro próton para formar o hélio-3 (composto por dois prótons e um nêutron), que, por sua vez, se junta a outro hélio-3 para formar o hélio-4 (composto por dois prótons e dois nêutrons) e dois prótons. As combinações continuam a ocorrer sucessivamente, até que se formem todos os elementos químicos.
Algumas dessas reações são corriqueiramente reproduzidas em laboratório. Entre todas as possibilidades, a que apresenta maior potencial de aproveitamento energético é a que envolve o dêuteron (D) e o trítio (T), que contém um próton e dois nêutrons. O problema é dominar essa tecnologia de modo que o balanço energético seja positivo em quantidade apreciável. Isto é, a energia gasta para produzir a reação deve ser menor do que a energia liberada.
Em todas essas reações, a energia liberada pode ser calculada a partir da famosa equação de Einstein: E=mc 2 . Por exemplo: a massa do dêuteron é menor do que a soma das massas do
próton e do nêutron. Essa massa que “falta” é transformada em energia. Na reação entre o dêuteron e o trítio, a energia liberada é de aproximadamente 17,6 MeV (milhões de elétron-volts). O elétron-volt é a energia adquirida por um elétron quando acelerado por uma diferença de potencial de 1 volt.
próton e do nêutron. Essa massa que “falta” é transformada em energia. Na reação entre o dêuteron e o trítio, a energia liberada é de aproximadamente 17,6 MeV (milhões de elétron-volts). O elétron-volt é a energia adquirida por um elétron quando acelerado por uma diferença de potencial de 1 volt.A animação mostra a fusão nuclear do deutério (à esquerda) com o trítio (à direita). O processo libera energia de 3,5 MeV associada ao núcleo de hélio e emite um nêutron com energia de 14,1 MeV.
Fusão nuclear em laboratório
O confinamento magnético é hoje sinônimo de tokamak (abreviatura, do russo: toroidal'naya kamera v magnitnykh katushkakh, que significa câmera toroidal com bobinas magnéticas). Esse equipamento consiste em um toroide metálico, em volta do qual várias bobinas condutoras são dispostas. Nos equipamentos modernos, essas bobinas são confeccionadas com materiais supercondutores, para produzir campos magnéticos mais intensos com menor consumo de energia.
Quando correntes elétricas circulam nessas bobinas, campos magnéticos são produzidos na direção do toroide. Por isso, são conhecidos como campos toroidais. No interior do toroide, uma mistura de deutério e trítio é aquecida até que se transforme
Um campo elétrico toroidal, produzido com um transformador, acelera íons e elétrons em sentidos contrários. Se existisse apenas esse campo elétrico, íons e elétrons terminariam por entrar em contato com as paredes do toroide, resfriando o plasma e se afastando da condição que permite a fusão nuclear.
Por isso, uma complexa configuração de campos magnéticos, sendo o campo toroidal já mencionado o mais importante, faz com que íons e elétrons sigam trajetórias helicoidais em torno do eixo do toroide. Daí vem a expressão confinamento magnético. O plasma fica confinado em uma pequena região em torno do eixo do toroide. Essas condições tornam possível a fusão nuclear.
Para produzir reações de fusão nuclear, a providência inicial é fazer com que os núcleos fiquem o mais próximo possível uns dos outros e submetê-los a uma alta temperatura. No interior das estrelas, a proximidade é obtida por causa das altas pressões resultantes dos enormes campos gravitacionais ali existentes.
Nos laboratórios terrestres, existem algumas alternativas para manter os núcleos próximos, em temperaturas muito superiores àquela existente no interior do Sol. Entre essas alternativas destacam-se o confinamento magnético e o confinamento inercial, sendo a primeira a que tem despertado o maior interesse da comunidade científica. O confinamento inercial é obtido por meio de feixes de laser superpotentes.
O confinamento magnético é hoje sinônimo de tokamak (abreviatura, do russo: toroidal'naya kamera v magnitnykh katushkakh, que significa câmera toroidal com bobinas magnéticas). Esse equipamento consiste em um toroide metálico, em volta do qual várias bobinas condutoras são dispostas. Nos equipamentos modernos, essas bobinas são confeccionadas com materiais supercondutores, para produzir campos magnéticos mais intensos com menor consumo de energia. em plasma, formado por íons positivos e elétrons. Se a temperatura for suficientemente alta, maior do que 50 milhões de graus centígrados, é possível que o plasma formado contenha apenas dêuterons, trítons (núcleos de trítio) e elétrons.
Um campo elétrico toroidal, produzido com um transformador, acelera íons e elétrons em sentidos contrários. Se existisse apenas esse campo elétrico, íons e elétrons terminariam por entrar em contato com as paredes do toroide, resfriando o plasma e se afastando da condição que permite a fusão nuclear. Por isso, uma complexa configuração de campos magnéticos, sendo o campo toroidal já mencionado o mais importante, faz com que íons e elétrons sigam trajetórias helicoidais em torno do eixo do toroide. Daí vem a expressão confinamento magnético. O plasma fica confinado em uma pequena região em torno do eixo do toroide. Essas condições tornam possível a fusão nuclear.
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