Fissão e fusão nuclear: Descubra os segredos da energia atômica

Fissão e fusão nuclear

A fissão e fusão nuclear são processos que envolvem transformações nos núcleos dos átomos, liberando grandes quantidades de energia. Ambos os fenômenos são de extrema importância para a compreensão da estrutura da matéria e para a geração de energia em diversas aplicações.

Esses conceitos são fundamentais em diversas áreas das Ciências da Natureza, especialmente na Química e Física, sendo frequentemente abordados em exames como o Enem e vestibulares. Compreender suas diferenças e aplicações é essencial para os estudos.

O que é Fissão Nuclear?

A fissão nuclear é o processo em que um núcleo atômico pesado é dividido em dois ou mais núcleos menores, liberando uma quantidade substancial de energia. Geralmente, essa divisão é iniciada pelo bombardeamento do núcleo com nêutrons.

Durante a fissão, não apenas fragmentos menores são formados, mas também nêutrons adicionais são liberados, que podem, por sua vez, bombardear outros núcleos, desencadeando uma reação em cadeia. É a fissão nuclear controlada que permite a operação de usinas nucleares.

Características da Fissão Nuclear

As principais características da fissão nuclear são:

• Divisão de Núcleos Pesados: Envolve núcleos atômicos com grande número de prótons e nêutrons, como Urânio-235 ou Plutônio-239.
• Liberação de Nêutrons: Nêutrons são liberados durante o processo, podendo gerar uma reação em cadeia.
• Geração de Energia: A energia liberada é imensa, resultante da diferença de massa entre o núcleo original e os produtos da fissão (E=mc²).
• Subprodutos Radioativos: Os núcleos menores formados são frequentemente isótopos radioativos, gerando resíduos nucleares.
• Aplicação Controlada e Descontrolada: Pode ser controlada em reatores nucleares ou descontrolada, como em armas atômicas.

Aplicações da Fissão Nuclear

A fissão nuclear tem diversas aplicações práticas, sendo as principais:

• Geração de Eletricidade: Em usinas nucleares, a energia liberada na fissão é convertida em calor, que aquece água para produzir vapor e movimentar turbinas.
• Produção de Isótopos Radioativos: Utilizados na medicina (diagnóstico e tratamento), indústria (esterilização, radiografia) e pesquisa.
• Propulsão Nuclear: Em submarinos e porta-aviões, para motores de longa duração.
• Armas Nucleares: A reação em cadeia descontrolada é a base das bombas atômicas.

O que é Fusão Nuclear?

A fusão nuclear é o processo oposto à fissão, onde dois núcleos atômicos leves se combinam para formar um núcleo mais pesado, liberando ainda mais energia do que a fissão. Este processo é o que alimenta o Sol e outras estrelas.

Para que a fusão ocorra, é necessário superar a repulsão eletrostática entre os núcleos (que são carregados positivamente), exigindo temperaturas e pressões extremamente elevadas, na ordem de milhões de graus Celsius.

Características da Fusão Nuclear

As principais características da fusão nuclear que a distinguem da fissão são:

• Combinação de Núcleos Leves: Envolve a união de núcleos pequenos, como isótopos de hidrogênio (deutério e trítio).
• Altíssimas Temperaturas e Pressões: Requer condições extremas para ocorrer, como as encontradas no interior das estrelas.
• Vasta Liberação de Energia: A quantidade de energia liberada por unidade de massa é significativamente maior do que na fissão.
• Subprodutos Menos Radioativos: Os produtos da fusão tendem a ser menos radioativos e com meia-vida mais curta em comparação com os da fissão.
• Potencial Energético Limpo: Considerada uma fonte de energia limpa e quase inesgotável, mas ainda em fase de pesquisa e desenvolvimento.

Aplicações da Fusão Nuclear

As principais aplicações da fusão nuclear, tanto atuais quanto potenciais, incluem:

• Fonte de Energia Estelar: É a responsável pela luz e calor emitidos pelo Sol e outras estrelas no universo.
• Futura Geração de Eletricidade: Projetos como o ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) visam desenvolver reatores de fusão para produzir eletricidade de forma segura e limpa.
• Armas Termonucleares: A fusão descontrolada é utilizada nas bombas de hidrogênio (bomba H), que são significativamente mais potentes que as armas de fissão.

Diferença entre Fissão e Fusão Nuclear

Aspecto	Fissão Nuclear	Fusão Nuclear
Processo	Divisão de um núcleo pesado em núcleos menores.	União de dois núcleos leves para formar um núcleo mais pesado.
Tipo de Núcleos	Pesados (Urânio-235, Plutônio-239).	Leves (Deutério, Trítio – isótopos de Hidrogênio).
Iniciador	Bombardeio de nêutrons.	Altas temperaturas e pressões (milhões de graus Celsius).
Energia Liberada	Grande quantidade, mas menor por massa que a fusão.	Enorme quantidade, maior por massa que a fissão.
Subprodutos	Núcleos radioativos pesados, nêutrons.	Núcleos estáveis ou de baixa radioatividade (Hélio, nêutrons).
Controle	Mais fácil de controlar em reatores.	Extremamente difícil de controlar e sustentar de forma estável.
Aplicações	Usinas nucleares, bombas atômicas, produção de isótopos.	Sol e estrelas, bombas de hidrogênio, pesquisa para energia limpa.

Exemplo de Reação de Fissão

n + ₉₂²³⁵U → ₅₆¹⁴¹Ba + ₃₆⁹²Kr + 3n + energia

Nesse processo, um nêutron colide com o núcleo de Urânio-235, formando um núcleo instável que se divide em Bário-141 e Criptônio-92, liberando três novos nêutrons e uma grande quantidade de energia. Os nêutrons liberados podem iniciar novas reações, mantendo a cadeia.

Exemplo de Reação de Fusão

₁²H + ₁³H → ₂⁴He + n + energia

Aqui, um núcleo de deutério (com um próton e um nêutron) se funde com um núcleo de trítio (com um próton e dois nêutrons), resultando na formação de um núcleo de Hélio-4 (com dois prótons e dois nêutrons), um nêutron livre e uma quantidade colossal de energia, muito maior que a liberada na fissão nuclear.

Exercícios com Gabarito

1. (ENEM-2017)

Um reator nuclear utiliza o urânio-235 como combustível. A cada evento de fissão, um núcleo de urânio-235 absorve um nêutron e se divide em dois núcleos menores, liberando outros nêutrons e grande quantidade de energia. Os nêutrons liberados podem atingir outros núcleos de urânio-235, provocando novas fissões, o que é conhecido como reação em cadeia. Em uma usina nuclear, qual é o principal objetivo de controlar a reação em cadeia?

• a) Aumentar a quantidade de núcleos de urânio-235.
• b) Produzir núcleos menores que os do urânio-235.
• c) Gerar calor para aquecer a água e produzir vapor.
• d) Impedir a liberação de qualquer nêutron.
• e) Reduzir a radioatividade dos produtos da fissão.

Resposta: Alternativa c: O controle da reação em cadeia em uma usina nuclear serve para regular a quantidade de energia térmica liberada, que é utilizada para aquecer água, produzir vapor e, consequentemente, gerar eletricidade através de turbinas.

2. (FUVEST-2019)

A energia liberada pelo Sol é resultado de reações de fusão nuclear. Nessas reações, isótopos leves de hidrogênio, como o deutério (²₁H) e o trítio (³₁H), combinam-se para formar um núcleo mais pesado, liberando grande quantidade de energia. Qual das afirmações abaixo melhor caracteriza o processo de fusão nuclear?

• a) É a quebra de um núcleo atômico pesado em partes menores, usando altas temperaturas.
• b) É a união de dois núcleos atômicos leves, necessitando de altíssimas temperaturas e pressões.
• c) Libera nêutrons que podem iniciar uma reação em cadeia em combustíveis nucleares.
• d) É a principal fonte de energia em reatores nucleares comerciais atuais.
• e) Produz resíduos com altos níveis de radioatividade e longo tempo de decaimento.

Resposta: Alternativa b: A fusão nuclear é a união de núcleos leves, como os de hidrogênio, para formar um núcleo mais pesado. Este processo requer condições extremas de temperatura e pressão, como as encontradas no interior do Sol.