Fissão ou Fusão Nuclear? Qual a diferença?

Por Alan Eduardo Wolinski

Figura 1.  Teste Nuclear realizado pelos Estados Unidos em 1946 no atol Bikini (ilhas Marshal, no Oceano Pacífico), chamada Operação Crossroads.

As reações nucleares provocam alterações na estrutura atômica, formando assim, novos núcleos e liberando uma grande quantidade de energia. Estas reações podem ser divididas em dois tipos: Fissão Nuclear e Fusão Nuclear.

Os estudos destas reações só desenvolveram-se após a descoberta da Radioatividade pelo físico francês Henri Becquerel em 1896, com a identificação do Urânio. Outras contribuições vieram do casal Marie Curie e Pierre Curie, que identificaram os elementos químicos Rádio e Polônio e, também, pelo físico neozelandês Ernest Rutherford, que formulou uma das conhecidas teorias de estrutura atômica, onde ficou clara a dificuldade de ocorrer reações entre núcleos atômicos devido à grande força de repulsão elétrica entre eles. Porém, o próprio Rutherford em 1917, realizou as primeiras experiências de reações nucleares, bombardeando átomos de Nitrogênio, com partículas Alfa, conseguiu convertê-los a Oxigênio.

Entretanto, as reações nucleares começaram a ser efetivamente estudadas na década de 30, após a descoberta do Nêutron pelo físico britânico James Chadwick em 1932. Pelo fato desta partícula ser eletricamente neutra, é facilitada a aproximação entre as mesmas e os núcleos atômicos, possibilitando a Fissão Nuclear.

FISSÃO NUCLEAR

Neste tipo de reação ocorre a ruptura de um núcleo de grande massa, originando dois núcleos menores. Átomos grandes são instáveis, mesmo com probabilidade pequena, pode ocorrer à fissão de forma espontânea. Porém quando estes núcleos são bombardeados por outras partículas, a probabilidade de ocorrer sua fissão é muito maior.

Figura 2. Fissão Nuclear do Átomo de Urânio. 

Na figura acima o átomo de Urânio-235 é bombardeado por um nêutron, absorvendo-o, este núcleo se torna instável e se divide em dois menores. Apenas o Urânio-235 sofre a fissão nuclear, seus Isótopos não.

A fissão do átomo de Urânio pode ocorrer de diversas maneiras originando pares de átomos diferentes.

Figura 3. Outras maneiras de fissão do Núcleo de Urânio.

Entretanto, juntamente com a formação dos novos núcleos, ocorre liberação de outros nêutrons que darão continuidade ao processo de fissão atingindo outros átomos. Este fenômeno é conhecido como Reação em Cadeia e, é devido a este fato, que se torna praticamente impossível parar o processo de fissão, a menos que se retirem os nêutrons livres do meio reacional.

Figura 4. Reação em Cadeia. Um nêutron liberado na fissão de um núcleo é capturado por outro, ocasionando sua fissão também, e assim sucessivamente.

A energia liberada em reações de fissão nuclear é imensamente maior que nas reações químicas. Comparando com a queima do metano, 1g de metano libera aproximadamente 52 kJ de energia. enquanto que a fissão de 1 grama de urânio libera 8×10⁷ kJ. Essa imensa quantidade de energia foi primeiramente utilizada na produção das Bombas Atômicas, que pode ser observada nos dois trágicos exemplos ao final da Segunda Guerra Mundial, nas cidades Japonesas de Hiroshima e Nagasaki, demonstrando assim, seu alto poder de destruição.

Após o surgimento de novas tecnologias de metalurgia e engenharia aliadas à física nuclear, houve a possibilidade de desenvolvimento da Energia Nuclear, que através dos reatores das usinas nucleares, a energia da fissão pode ser utilizada para a produção de Energia Elétrica.

FUSÃO NUCLEAR

Ao contrário da fissão, na Fusão Nuclear, dois ou mais núcleos atômicos se unem para dar origem a outro maior. Mas para que esse processo ocorra, é necessária uma grande quantidade de energia, fazendo com que a aproximação destes átomos seja suficiente para vencer a repulsão eletrônica entre eles, chamada repulsão coulombiana. Esta repulsão é proporcional à quantidade de carga no núcleo, quanto maior a carga elétrica dos núcleos em colisão maior será a repulsão entre eles, desta forma, a fusão nuclear pode ser provocada com mais facilidade entre núcleos com menor número de prótons.

Figura 5. Esquema da reação de fusão nuclear entre Isótopos do Hidrogênio, formando um átomo de Hélio.

A temperatura necessária para ocorrer fusão de núcleos pequenos (Hidrogênio, Deutério e Trítio) é da ordem de 10⁶ K. Nesta temperatura as unidades básicas de qualquer substância não são mais seus átomos ou moléculas, pois devido à intensidade das colisões entre eles, os núcleos correspondentes e seus elétrons não estão mais ligados uns aos outros. Este é o estado de plasma, ou seja, um gás neutro, formado de núcleos com carga positiva e de elétrons livres. O plasma não pode ser confinado por um recipiente devido às altas temperaturas, mas pode ser confinado numa região do espaço por campos elétricos e magnéticos.

As estrelas são bolas de plasma, confinado pelo próprio campo gravitacional, e as reações de fusão nuclear são as responsáveis pela produção de energia.

Figura 6. Proeminência eruptiva Solar.

Por apresentar grandes vantagens em relação à fissão nuclear, os cientistas tentam controlar a fusão de forma a produzir energia elétrica. A quantidade de energia liberada no processo de fusão é milhares de vezes maior que a liberada pela fissão e não é produzido Lixo Radioativo.

Embora existam vários métodos propostos e em fase de implementação para a geração de energia por meio da fusão, ainda não existe um reator que funcione satisfatoriamente, pois o principal problema continua sendo a incapacidade de se manter certa quantidade de plasma num estado de temperatura e pressão adequado para que ocorram as reações de fusão, durante um intervalo de tempo longo o bastante para produzir uma quantidade de energia maior do que aquela consumida no processo. O principal tipo de reator testado nestas experiências são os tokamak.

Figura 7. Esses tipos de reatores conseguem suportar temperaturas altas, mantendo um plasma longe das paredes, durante pouco tempo usando técnicas de confinamento magnético.

No dia 31 de outubro de 1952, os EUA testaram o poder de destruição gerado pela reação de fusão, na Bomba de Hidrogênio (conhecida como “Mike”) a detonação ocorreu no atol de Eniwetok (Ilhas Marshall) e teve um poder de explosão de 10 milhões de toneladas de TNT, algo como 700 vezes o poder da bomba de Hiroshima.

SAIBA MAIS

http://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/nuclear-fission

REFERÊNCIAS 

www.ufsm.br/gef/Nuclear/nuclear12.pdf

www.ufsm.br/gef/Nuclear/nuclear15.pdf‎

www.ipfn.ist.utl.pt

http://www.cnen.gov.br/ensino/energ-nuc.asp

http://www.crq4.org.br/quimicaviva_energianuclear

http://www.dfn.if.usp.br/pesq/ipl/ipl/historiaNew.html

http://astro.if.ufrgs.br/estrelas/node10.htm