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Fissão e fusão nuclear: o que são, diferenças e aplicações

A fissão e a fusão são fenômenos que acontecem no núcleo dos átomos. Eles têm a mesma natureza, mas funcionam de forma bem diferente! Você sabe quais são as diferenças entre fissão e fusão nuclear?

Autor Representação de uma pessoa Ana Maria Data Representação de um calendário 28/08/2019 Tempo Representação de um relógio 9min  de leitura

A fissão e a fusão nuclear são fenômenos que, como os nomes já dizem, acontecem nos núcleos dos átomos. Porém, para entendê-los como processos físicos e as diferenças entre eles, precisamos entender um pouco mais sobre o foco das reações nucleares: os próprios átomos.

Deste modo, é preciso saber que os átomos possuem um núcleo e uma eletrosfera; no núcleo, estão os prótons, partículas de carga positiva, e os nêutrons, que não possuem carga. Na eletrosfera, em orbitais atômicos, estão os elétrons, que têm carga negativa.

Descrição da constituição de um átomo, mostrando núcleo (prótons+nêutrons) e eletrosfera (elétrons).
Constituição da matéria e dos átomos

As fissões e fusões nucleares acontecem somente no núcleo dos átomos, diferente das reações químicas normais. Justamente por acontecerem no núcleo, as fissões e fusões nucleares vão alterar as propriedades intrínsecas do átomo: alterando seu número de prótons.

O número de prótons é o número atômico Z. É ele quem vai determinar as características de um elemento; e é pelo número de prótons que identificamos cada elemento químico.

Além disso, as reações de fissão e fusão são altamente energéticas, por mexerem justamente com o núcleo dos átomos. Por isso, podem ser utilizadas em processos de obtenção e conversão de energia, como em usinas de energia elétrica.

Deste modo, podemos entender as diferenças entre fissão e fusão! Sendo a fissão, a quebra de um núcleo atômico originando núcleos diferentes de menor número de prótons (Z), e a fusão, o processo contrário: dois núcleos distintos se fundem, formando um único núcleo de maior número atômico (Z).

Fissão Nuclear

Como já vimos, a fissão nuclear é a quebra de um único núcleo atômico em outros. Isso acontece pelo bombardeamento de nêutrons em um núcleo físsil, que possui tamanho e propriedades adequadas para passar por esse tipo de reação.

Assim, esses núcleos físseis podem se quebrar, originando 2 outros núcleos atômicos, alguns nêutrons, e uma quantidade colossal de energia!

Reação de fissão nuclear, onde um nêutron incide sobre um núcleo atômico, que se divide em dois. Esse processo libera energia e mais nêutrons, que permitem a continuidade da reação.
Reação de Fissão Nuclear

O melhor exemplo disso é a fissão do urânio-235, utilizada nas usinas nucleares. Nela, um nêutron é bombardeado em um núcleo físsil de urânio, que se divide em um núcleo de Criptônio-92 e um de Bário-141. Além disso, são produzidos também três nêutrons.

Reação de Fissão Nuclear do Urânio, produzindo Bário, Criptônio, Nêutrons e energia.
Reação de Fissão Nuclear do Urânio

No entanto, as reações de fissão têm uma peculiaridade muito grande: a massa não é conservada entre produtos e reagentes, contrariando todos os princípios da química que lida com a eletrosfera.

Apesar disso, o número de partículas subatômicas é igual antes e depois da reação: 235 do urânio + 1 nêutron = 92 do Criptônio + 141 do Bário + 3 nêutrons. Então, por que a massa é diferente?

Essa diferença de massa pode ser explicada pela famosa equação de Einstein, E = mc², que relaciona massa e energia. Como há perda de massa dos reagentes para os produtos, essa massa só pode ter sido liberada na forma de energia!

Por isso, quantidades colossais de energia são liberadas nas fissões nucleares – o que pode ser ótimo! Desta maneira, as fissões são muito úteis nos processos de geração de energia, quando os nêutrons originados da primeira fissão encontram os núcleos seguintes de Urânio, permitindo que a fusão continue até que o Urânio acabe.

Fusão Nuclear

A fusão nuclear é a junção de núcleos atômicos, produzindo um núcleo de maior número atômico que os originais. Esse processo também libera muita energia: toda a energia do Sol é proveniente de reações de fusão nuclear. Não somente no Sol, mas em todas as estrelas do universo.

Reação de Fusão Nuclear de Deutério e Trítio, isótopos do Hidrogênio. São produzidos um átomo de Hélio-4, energia, e um nêutron.
Reação de Fusão Nuclear

No Sol, o Hidrogênio é fundido, formando deutério (hidrogênio-2) e partículas radioativas. A fusão prossegue, dando origem a núcleos atômicos maiores, como Hélio-3 e Hélio-4. É por esse processo que, nas estrelas, foram originados todos os elementos químicos do universo.

Reação de Fusão do Hidrogênio para formação de Hélio, como acontece no Sol
Processo de fusão do Hidrogênio, que acontece nas estrelas

Apesar de também liberar muita, mas muita energia, as fusões nucleares são mais dificilmente controláveis e pouco economicamente viáveis. Por exemplo, para que a reação acima aconteça – seja em laboratório ou não -, a temperatura do meio precisa estar entre 107 e 108 K!

Por isso, ainda não é economicamente viável nem que as fusões nucleares sejam utilizadas nas usinas nucleares, nem nas bombas atômicas. Mas onde esses processos são utilizados?

Aplicações das Reações Nucleares

As reações de fissão e fusão nuclear têm aplicações muito importantes. As fissões, como já sabemos, são utilizadas nas Usinas Nucleares para geração de energia. Já as fissões nucleares podem ser utilizadas nas bombas de hidrogênio, artefatos bélicos de destruição em massa.

Essas aplicações só são possíveis por causa das quantidades de energia liberadas por esses processos. Na fissão do urânio, representada em (a), O núcleo se quebra em outros, de menor massa. Na fusão de H, representada em (b), a massa do átomo de Hélio é menor do que a soma das partículas separadas.

A imagem mostra o balanço de massa das reações de fissão e fusão nuclear.
Balanço de massa das reações de fissão e fusão nuclar

Assim, essa diferença nas massas é o que é responsável pela liberação de energia, E =Δmc², onde c é a velocidade da luz. A energia liberada é proporcional à variação de massa entre produtos e reagentes.

Por isso, são as reações de fissão utilizadas nos reatores nucleares. Usualmente, são utilizados átomos de Urânio-235, na forma de Óxido de Urânio (U3O8). Como a reação começa com um nêutron, e produz vários nêutrons, ela se retroalimenta quando os nêutrons colidem com outros átomos de Urânio – e se torna uma reação em cadeia.

Assim, essa reação em cadeia é controlada pelas Hastes de Controle. Toda energia liberada é utilizada para aquecer água pressurizada, que se torna vapor e pode girar uma turbina, gerando energia por indução eletromagnética.

Aplicação da reação de fissão nuclear em uma Usina Nuclear.
Geração de energia elétrica a partir da Fissão Nuclear do Urânio-235

Já as reações de fusão são utilizadas nas Bombas de Hidrogênio. Nessas bombas, compostos de Deutério, 2H, e Trítio, 3H, são fundidos em 4He, assim como nas estrelas. Além disso, a bomba é envolvida também em Urânio, potencializando seu poder destrutivo.

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