Fissão e fusão nuclear

A fissão e a fusão nuclear são reações que ocorrem com núcleos atômicos, resultando na emissão de fótons altamente energéticos. Enquanto na fissão um núcleo pesado é dividido em outros menores, na fusão ocorre a união de núcleos atômicos leves, formando núcleos mais pesados. A fissão pode ser usada em usinas nucleares, para fornecer energia elétrica, ou para a construção de bombas nucleares. A fusão ocorre no interior das estrelas, em condições de altas temperaturas e pressão.

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Tópicos deste artigo

• 1 - Resumo sobre fissão e fusão nuclear
• 2 - O que é fissão e fusão nuclear?
• 3 - Qual a diferença entre a fissão e a fusão nuclear?
• 4 - Aplicações da fissão e fusão nuclear
  • Aplicações da fissão nuclear
  • Aplicações da fusão nuclear
• 5 - O que libera mais energia, a fissão ou a fusão nuclear?
• 6 - Exercícios sobre fissão e fusão nuclear

Resumo sobre fissão e fusão nuclear

• A fissão nuclear é a reação em que o núcleo atômico se divide em duas partes ou mais.
• A fusão nuclear é a reação em que os núcleos atômicos se unem, formando núcleos mais pesados.
• A fissão nuclear ocorre com núcleos atômicos pesados, enquanto a fusão ocorre com núcleos leves.
• Na fissão e na fusão nuclear, há uma grande liberação de energia.
• A fissão nuclear pode ser utilizada para gerar eletricidade em usinas nucleares ou para a construção de bombas atômicas.
• A fusão nuclear ocorre no núcleo das estrelas e libera muito mais energia que a fissão.

O que é fissão e fusão nuclear?

• Fissão nuclear: reação em que o núcleo atômico de um átomo bem pesado se divide em duas partes ou mais ao ser atingido por um nêutron, liberando uma quantidade enorme de energia por meio de fótons altamente energéticos. Na fissão, novos nêutrons são liberados. Estes vão provocar a fissão de novos núcleos, e assim sucessivamente, estabelecendo-se uma reação em cadeia, como na seguinte figura:

• Fusão nuclear: reação em cadeia em que núcleos atômicos leves reagem entre si para transformar outros mais pesados, ocorrendo também grande liberação de energia. Em 1935, o físico Hans Bethe foi o primeiro a propor a ideia de que a energia liberada pelas estrelas provém de reações nucleares. Hoje sabemos que essa ideia está correta e que, no Sol, a reação ocorre em várias etapas, nas quais o hidrogênio se transforma em hélio, com liberação de fótons altamente energéticos.

Qual a diferença entre a fissão e a fusão nuclear?

Enquanto na fissão o núcleo atômico é dividido em duas ou mais partes menores, na fusão os núcleos atômicos se unem, formando núcleos atômicos mais pesados. Para realizar uma fissão, basta jogar nêutrons em elementos radioativos pesados. Para realizar uma fusão, é necessária uma situação muito mais extrema, como a das altas temperaturas e pressão do interior de uma estrela, para conseguir unir os núcleos atômicos.

Aplicações da fissão e fusão nuclear

• Aplicações da fissão nuclear

A principal aplicação da fissão nuclear é na utilização dessa reação para o fornecimento de energia elétrica por meio de usinas termonucleares. Nelas, emitem-se nêutrons no isótopo de urânio-235, ou U²³⁵. Ao receber um nêutron, o isótopo a para um estado excitado, que corresponde ao isótopo U²³⁶.

Após um curto intervalo de tempo, esse núcleo excitado se quebra em dois novos elementos, com a liberação de novos nêutrons e de uma grande quantidade de energia. Essa energia liberada esquenta um reservatório cheio de água, que, ao evaporar, faz girar turbinas, que, por sua vez, geram a energia elétrica.

Por outro lado, é necessária uma grande densidade de U²³⁵ para aumentar a probabilidade de os nêutrons liberados se chocarem com outros núcleos. Essa grande quantidade é obtida por intermédio de um processo conhecido como enriquecimento de urânio. Para controlar a reação em cadeia, utilizam-se barras de uma substância moderadora, como o grafite.

Caso o objetivo seja o de não controlar a reação em cadeia, a outra aplicação negativa da fissão nuclear é a bomba de fissão nuclear, que tem um largo poder de destruição em massa. Nesse tipo de dispositivo, um detonador dispara um explosivo convencional, e esse explosivo explode a substância radioativa, causando a reação em cadeia.

• Aplicações da fusão nuclear

Devido à repulsão eletrostática entre os núcleos de hidrogênio, são necessárias temperaturas da ordem de 100 milhões de kelvins para a aproximação dos núcleos, a fim de que atuem as forças nucleares atrativas iniciadoras da fusão. Esse valor corresponde à temperatura do núcleo das estrelas, onde, devido ao altíssimo grau de agitação, a matéria é um gás de íons positivos e elétrons, chamado de plasma. O plasma é considerado o quarto estado físico da matéria.

Não existe material que possa constituir um recipiente capaz de ar uma reação com tais temperaturas por muito tempo. Atualmente existem alguns reatores que conseguem ar essas temperaturas por meio de um delgado filete de plasma, longe das paredes, durante um curto intervalo de tempo, como no famoso reator de fusão nuclear Tokamak:

A expectativa é de que os reatores do futuro se utilizem da fusão nuclear, que, além de mais eficiente que a fissão, não deixa a herança dos resíduos radioativos. Com a fusão nuclear, também é possível construir bombas de destruição em massa, são as chamadas bombas de hidrogênio, ou bomba H. Estima-se que a bomba de fusão tenha poder de destruição cerca de 700 vezes maior que a bomba de fissão que foi lançada pelos EUA em Hiroshima, no Japão.

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O que libera mais energia, a fissão ou a fusão nuclear?

A fusão libera muito mais energia que a fissão nuclear. Para se ter uma ideia, o Sol libera uma energia de 3,9·10²⁶ J por segundo e vem fazendo isso há bilhões de anos. Além disso, os elementos pesados necessários para se realizar a fissão são extremamente raros de se encontrar, diferentemente da fusão, que é realizada com elementos leves, como o hidrogênio.

Exercícios sobre fissão e fusão nuclear

Questão 1

(UFRS) Assinale a alternativa que preenche corretamente a lacuna do parágrafo abaixo.

O Sol é a grande fonte de energia para toda a vida na Terra. Durante muito tempo, a origem da energia irradiada pelo Sol foi um mistério para a humanidade. Hoje, as modernas teorias de evolução das estrelas nos dizem que a energia irradiada pelo Sol provém de processos de _______ que ocorrem no seu interior, envolvendo núcleos de elementos leves.

A) espalhamento

B) fusão nuclear

C) fissão nuclear

D) fotossíntese

E) combustão

Resolução:

Alternativa B.

No núcleo das estrelas, ocorre a reação de fusão nuclear, onde núcleos leves se unem, formando núcleos mais pesados e liberando fótons altamente energéticos.

Questão 2

Alguns exemplos de materiais que podem ser utilizados nos reatores de fissão nuclear, por serem físseis, são: U²³⁵ e Pu²⁹⁴.

De acordo com o exposto, podemos afirmar que um material físsil é aquele que é capaz de originar:

A) dois ou mais núcleos atômicos menores.

B) um único núcleo atômico menor.

C) dois ou mais núcleos atômicos maiores.

D) um único núcleo atômico maior.

Resolução:

Alternativa A.

Quando ocorre a fissão, o núcleo atômico é dividido em dois ou mais núcleos atômicos menores.

Fontes:

CARRON, Wilson; GUIMARÃES, Osvaldo. As faces da física (vol. único). 1. ed. Moderna, 1997.

HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos da Física: Óptica e Física Moderna (vol. 4). 9 ed. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 2012.

NUSSENZVEIG, Herch Moysés. Curso de física básica: Óptica, Relatividade e Física Quântica (vol. 4). 2 ed. São Paulo: Editora Blucher, 2014.