A fusão nuclear consiste na combinação de dois núcleos leves num único núcleo mais pesado. A fusão, ou as reações termonucleares de elementos leves, são reações típicas do Sol e das outras estrelas. De facto, no Sol, em cada segundo, 657 milhões de toneladas de hidrogénio fundem-se em 653 milhões de toneladas de hélio. Os 4 milhões de toneladas de diferença de massa são então convertidos em radiação – e é assim que o Sol brilha. As condições de temperatura extrema e de pressão elevada criam um estado de matéria fortemente ionizada chamado plasma, que é mantido coeso pelas forças gravíticas.

Uma reação de fusão em que é libertada uma quantidade relativamente elevada de energia (27,7 MeV) é aquela em que quatro protões reagentes conduzem à formação de um núcleo de hélio (uma partícula alfa). Uma vez que neste processo se fundem isótopos de hidrogénio, e que o hidrogénio existe praticamente por toda a parte à nossa volta, a ideia de obter energia a partir da fusão do hidrogénio é extremamente atrativa: oferece uma fonte de energia aparentemente ilimitada para as gerações futuras!

As reações de fusão não são, contudo, fáceis de conseguir na Terra. É preciso ter em conta que as temperaturas necessárias são extremamente elevadas, geralmente da ordem das centenas de milhões de kelvin. E, uma vez criado o plasma quente, o problema de o manter não é de modo algum trivial.

Segue-se uma lista de reações de fusão de núcleos leves que poderiam ser consideradas para aplicações práticas:

Para iniciar uma reação de fusão é necessário vencer a repulsão de Coulomb entre os núcleos. Estes têm, por isso, de possuir energias cinéticas incidentes elevadas (de alguns keV a várias centenas de keV) — falaremos mais adiante de outra possibilidade de iniciar a fusão a baixas temperaturas, através da chamada fusão catalisada por mesões. É fácil acelerar partículas leves até essas energias. No entanto, a energia necessária para fazer funcionar os aceleradores excede largamente a energia obtida da fusão. É mais prático recorrer a uma abordagem diferente: a energia cinética dos reagentes pode resultar da elevada temperatura de um gás dessas partículas. A temperaturas de dezenas ou centenas de milhões de kelvin, os eletrões são arrancados aos átomos, pelo que os reagentes existem sob a forma de um plasma quente. É por isso que se fala em reações “termonucleares”.

O principal problema técnico consiste em gerar as condições de temperatura e pressão extremamente elevadas no gás ionizado — o plasma — e em confiná-lo durante tempo suficiente para desencadear a fusão e, com ela, a libertação de energia. Uma vez conseguido isto, e ocorrendo reações de fusão em número suficiente, as condições poderão manter-se por si próprias, ou seja, um fornecimento de combustível novo deverá criar uma produção contínua de energia.

A condição necessária para a libertação de energia num reator termonuclear é dada pelo chamado critério de Lawson, que estabelece que o produto da densidade de núcleos no plasma pelo tempo de confinamento do plasma à temperatura de ignição adequada tem de exceder um certo valor limiar. Para a reação de fusão D-T, por exemplo:

n_eτ_E ≥ 1,5 × 10²⁰ s/m³

A necessidade de temperaturas elevadas implica que o plasma não possa estar em contacto com o material das paredes. É, por isso, necessário desenvolver técnicas especiais de confinamento do plasma.

Existem três métodos de confinamento do plasma: gravitacional, magnético e inercial. Nas estrelas, o confinamento deve-se ao seu campo gravítico, que cria uma pressão suficientemente elevada. Este tipo de confinamento não é, porém, aplicável na Terra. Em vez disso, podem usar-se campos magnéticos intensos para aprisionar o plasma, no método de confinamento magnético, ou, naquilo a que se chama confinamento inercial, comprimem-se pequenas esferas de hidrogénio por meio de um laser potente ou de feixes de partículas.

No caso do confinamento magnético, em que a densidade de partículas é superior a cerca de 10²⁰/m³, o tempo de confinamento dado pelo critério de Lawson tem de ser superior a 1 s. No caso do confinamento inercial, por exemplo, a densidade típica do plasma é ≈ 10³¹/m³, e o tempo de confinamento tem de ser da ordem de 10^-11 s.

A reação mais provável para aplicações práticas é a fusão de deutério e trítio, D + T → ⁴He + n + 17,58 MeV, embora também se considerem as reações deutério-deutério. O deutério pode encontrar-se facilmente na água (30 gramas por metro cúbico). O trítio, porém, tem de ser produzido num reator nuclear ou gerado num reator de fusão a partir do lítio, um elemento que existe em grandes quantidades na crosta terrestre.

Isto pode ser conseguido utilizando um manto de lítio relativamente espesso (cerca de 1 m), contendo também berílio, que envolve o núcleo do reator. O lítio absorve os neutrões que são travados no manto e converte-se em trítio e hélio. A energia libertada aquece o manto, iniciando assim a produção convencional de energia. O papel do berílio consiste em manter um número suficiente de neutrões no sistema.

O movimento das partículas carregadas no plasma pode ser controlado por um campo magnético externo. Nos sistemas fechados de confinamento magnético, chamados reatores Tokamak, aquece-se e confina-se o plasma (D-T, por exemplo) a densidades até 10²¹ partículas por metro cúbico. O campo magnético é concebido de modo a manter as partículas afastadas das paredes do recipiente. Caso contrário, o plasma «arrefeceria» de imediato e as reações de fusão cessariam.

Para além da temperatura muito elevada, também a pressão magnética necessária ao confinamento do plasma é impressionante. Para a densidade de partículas atmosférica (cerca de 10²⁷ partículas por metro cúbico) e uma energia térmica de 10 keV, a pressão magnética teria de exceder 10⁸ hPa. As bobinas de campo e os seus suportes mecânicos não resistem a tais pressões! Para tornar a pressão menor, é necessário diminuir a densidade de partículas. Para cumprir o critério de Lawson, é então preciso manter o plasma quente durante mais tempo.

A configuração de campo magnético mais eficaz revelou-se ser a toroidal. A câmara do reator tem a forma de um donute e constitui uma "garrafa magnética" fechada. Na verdade, para garantir a estabilidade do plasma, as linhas de campo magnético seguem um percurso helicoidal. Este confinamento é assegurado por dispositivos conhecidos como tokamaks, stellarators e reverse field pinch (RFP).

Num tokamak, uma série de bobinas é colocada em torno da câmara com forma de toro. O núcleo do transformador atravessa o centro do tokamak, enquanto a corrente do plasma forma um circuito secundário. O campo perpendicular, dito poloidal, é induzido tanto internamente, pela corrente que percorre o plasma, como externamente, por bobinas de campo poloidal colocadas ao longo do perímetro do recipiente.

Esta corrente aquece também o plasma até à elevada temperatura necessária, de cerca de 10 milhões de K. A ideia do tokamak teve origem nos físicos russos Andrei Sakharov e Igor Tamm. Os principais inconvenientes dos tokamaks são a gama de parâmetros de funcionamento relativamente estreita. O maior tokamak construído até hoje foi o Joint European Torus (JET).

Num stellarator, as condições do plasma são reguladas por correntes que circulam no exterior do plasma. As linhas de campo helicoidais dos stellarators são produzidas por uma série de bobinas que são elas próprias helicoidais.

O maior stellarator, o Large Helical Device (LHD), representado abaixo, entrou em funcionamento em 1998 no Instituto Nacional de Investigação em Fusão do Japão. Uma vez que nos stellarators não é induzida corrente no plasma, o aquecimento tem de ser conseguido por outros meios, por exemplo fornecendo radiação eletromagnética ao plasma. Está prevista uma técnica deste tipo em Greifswald, na Alemanha. Estes dispositivos são semelhantes aos tokamaks no que respeita aos campos toroidal e poloidal. As correntes são, no entanto, muito mais intensas, e a direção do campo toroidal dentro do plasma inverte-se junto à sua periferia. Um sistema deste género é utilizado, entre outros locais, em Pádua, Itália.

A técnica de fusão por confinamento inercial (ICF) baseia-se numa pequena esfera de combustível D-T previamente preparada, que é depois rapidamente aquecida até se atingirem a temperatura e a pressão necessárias para alcançar o estado de plasma.

Isto obtém-se comprimindo a esfera através do seu bombardeamento com impulsos de luz laser intensos e bem focados. Nestas condições, a superfície da esfera evapora-se e forma uma coroa de plasma. O plasma expande-se e gera uma frente de compressão dirigida para dentro, que faz a esfera implodir, provocando uma reação de fusão instantânea.

O sistema de fusão por confinamento inercial mais avançado é o NOVA, no Lawrence Livermore Laboratory, nos EUA. Os investigadores do NOVA demonstraram que, sob compressão, é possível atingir densidades 600 vezes superiores à da mistura líquida de D-T e 20 vezes superiores à densidade do chumbo.

A Comunidade Europeia iniciou o programa Joint European Torus – JET em 1978. O principal objetivo do JET era realizar ensaios sobre fusão, física de plasmas e condições de estabilidade. Culham, na Grã-Bretanha, foi escolhida como local do JET.

O dispositivo, na verdade o maior tokamak alguma vez construído, ficou pronto para funcionar em 1983 e a primeira potência de fusão controlada foi produzida em novembro de 1991. A potência recorde de 16 MW foi atingida durante um segundo, em 1997, com combustível misto de deutério-trítio. A experiência JET mostrou que a fusão controlada é possível.

O seu sucessor é o ITER, um projeto internacional de investigação e engenharia que está atualmente a construir o maior reator experimental de fusão nuclear do tipo tokamak do mundo, em Cadarache, França. O projeto ITER pretende concretizar a há muito aguardada passagem dos estudos experimentais de física de plasmas para centrais de fusão à escala real, produtoras de eletricidade.

A National Ignition Facility (NIF), situada na Califórnia, EUA, é a maior e mais energética instalação laser do mundo, e um dos seus objetivos é conseguir pela primeira vez, em laboratório, a fusão nuclear com ganho de energia – em essência, criar uma estrela em miniatura na Terra.

O NIF utiliza lasers potentes para aquecer e comprimir uma pequena quantidade de combustível de hidrogénio até ao ponto em que ocorrem reações de fusão nuclear. O NIF é o maior e mais energético dispositivo de confinamento inercial construído até hoje, e o primeiro que se espera vir a atingir o tão procurado objetivo da "ignição", produzindo mais energia do que aquela que foi fornecida para iniciar a reação. A sua missão é conseguir a fusão nuclear com elevado ganho de energia em laboratório e apoiar a manutenção e o projeto de armas nucleares, através do estudo do comportamento da matéria nas condições que se encontram no interior dessas armas.

As temperaturas e pressões extremas criadas no interior da câmara de alvos do NIF permitem aos cientistas realizar experiências sem precedentes na ciência da alta densidade de energia e obter novos conhecimentos sobre fenómenos astrofísicos como as supernovas, os planetas gigantes e os buracos negros.

A fusão é, de certo modo, a reação oposta à reação de fissão nuclear. Nesta última, criam-se núcleos de massas menores a partir de um núcleo pesado, e a soma das massas produzidas é inferior à massa do núcleo pesado. No caso da fusão, a massa do núcleo mais pesado é inferior à soma das massas iniciais dos núcleos mais leves.

É fácil perceber que, para iniciar uma reação deste tipo, as energias relativas dos núcleos que colidem (recorde-se que estão positivamente carregados!) têm de ser suficientemente elevadas para vencer a sua repulsão elétrica. Por isso, para formar átomos de hélio a partir da fusão de deutério e trítio, por exemplo, o combustível tem de ser mantido a temperatura e pressão extremamente elevadas.

Na reação que acabámos de descrever é produzido um neutrão. Este neutrão possui uma energia cinética muito elevada, que é cedida durante o processo de travagem. Esta energia pode ser convertida em calor para produzir vapor, que por sua vez pode acionar a turbina e fazer funcionar um gerador elétrico. Os neutrões produzidos nestas reações de fusão podem também ser utilizados para produzir combustível nuclear a partir de urânio empobrecido, isto é, urânio que contém menos ²³⁵U do que o urânio natural (0,72%).

Cerca de um em cada 6000 átomos de hidrogénio à nossa volta (incluindo o hidrogénio armazenado na água) é um átomo de deutério. Esta abundância é um poderoso incentivo para conceber alguma forma de instalação de reações de fusão – pois isso daria efetivamente à humanidade uma fonte de energia para talvez milhares de milhões de anos!

A título de comparação: para produzir 1 GW-ano de energia elétrica são necessárias cerca de 35 toneladas de UO₂ por fissão, e cerca de 100 kg de deutério mais 150 kg de trítio por fusão. Outro aspeto que torna a fusão atrativa é a ausência quase total de subprodutos radioativos. Em particular, do funcionamento de uma central de fusão não resulta qualquer material que possa ser usado na produção de armas nucleares. Além disso, ao contrário do que sucede nos reatores nucleares de fissão, a explosão de uma instalação é praticamente impossível: se ocorresse uma explosão, o plasma expandir-se-ia e arrefeceria, o que implicitamente faria parar o processo de fusão.

Isto não significa que não existam riscos associados aos reatores de fusão. Em particular, há que ter presente a produção maciça de neutrões e de trítio radioativo. A presença de sais de lítio fundidos e do berílio, que é cancerígeno, constituiria também um problema.

Tal como nos reatores de fissão, também nos reatores de fusão se produz bastante radiação ionizante (em especial neutrões). Espera-se, por isso, que um dos principais problemas seja a blindagem contra a radioatividade induzida em toda a instalação. O perigo associado a um possível acidente do sistema magnético, que armazena quantidades extremamente elevadas de energia, tem de ser considerado com seriedade. Em 1992 foi constituída uma equipa chamada European Safety and Environmental Assessment of Fusion Power (SEAFP). O objetivo desta equipa é trabalhar no projeto de centrais de fusão, nas suas condições de segurança e na avaliação do seu impacto no ambiente. De acordo com as avaliações do SEAFP, as principais vantagens da fusão sobre as centrais de fissão nuclear consistem em que, no pior cenário, a libertação de radiação nunca atingirá um nível que obrigue as pessoas a evacuar. Além disso, os resíduos radioativos produzidos nas centrais de fusão decaem relativamente depressa e não exigem isolamento do ambiente. Um problema particular está ligado à possível libertação de trítio radioativo para o ambiente. Este gás radioativo é altamente penetrante, dissolve-se facilmente na água e pode continuar a ser perigoso muito tempo depois de ter sido criado (o período de semidesintegração do trítio é de cerca de 12 anos).

Até agora, todas as promessas e esperanças de produção de energia revelaram-se prematuras – só há relativamente pouco tempo a energia produzida igualou a energia fornecida ao sistema (primeiro no TFTR americano e no JT60 japonês, e no Joint European Torus – JET). Os principais desafios são: manter uma configuração de plasma estável, encontrar materiais que resistam aos intensos fluxos de neutrões produzidos, extrair energia para fins úteis e produzir sensivelmente mais energia do que aquela que é fornecida.

Lidera atualmente o esforço de comercialização da energia de fusão o ITER, que remonta a 1985. O projeto ganhou novo impulso após a criação da Organização ITER em 2007, tendo como membros a China, a UE, a Índia, o Japão, a Coreia do Sul, a Rússia e os EUA. A máquina está a ser construída em Cadarache, França, com o objetivo de atingir 500 MW de potência e um fator de ganho de fusão Q=5-10 dentro do prazo de 30 anos previsto para o projeto.

Lançamento das fundações do futuro edifício do Tokamak – Cadarache, fevereiro de 2014.

Infelizmente, a energia termonuclear (tal como outras formas de energia) já foi utilizada para fins militares, na chamada bomba de hidrogénio.