Fissão e Fusão Nuclear: o que são e como funcionam!

Está estudando para as provas dos seletivos das Forças Armadas? Então, não deixe de ver este resumo da matéria de Radioatividade! Entenda como a fissão e a fusão nuclear funcionam e qual a sua importância neste texto elaborado com base nas aulas do Prof. Thiago Cardoso. 

Importância da fissão e da fusão nuclear

Fissão e fusão nuclear são processos da natureza que envolvem liberação intensa de energia. É interessante notar que nem todos os átomos podem passar pela fissão ou fusão nuclear – isso depende de sua energia de ligação!

O núcleo mais estável em termos de energia de ligação por nucleon é o ferro-56. Portanto, os núcleos menores que o ferro-56 tendem a se fundir, enquanto que os núcleos maiores tendem a se partir, ou seja, a passarem pela fissão. 

Fissão Nuclear

A fissão nuclear é o processo de fragmentação de um núcleo grande em núcleos menores. Quando acontece de maneira espontânea, é bastante exotérmico, ou seja, libera muita energia. É o processo que é utilizado nas usinas nucleares para a produção de energia. 

O exemplo mais conhecido é a fissão do urânio-235. Quando esse isótopo absorve um nêutron, ele se transforma no isótopo instável urânio-236, que possui energia suficiente para se partir.

É importante esclarecer que a fissão nuclear não envolve somente a quebra do núcleo. Quando falamos em quebrar um núcleo, trata-se de afastar completamente os prótons e os nêutrons que o compõem. Esse processo é sempre bastante endotérmico, ou seja, requer muita energia.

Considere, por exemplo, a quebra do núcleo de hélio-4. Esse núcleo possui energia de ligação de 28,3 MeV. Isso significa que é necessário fornecer essa quantidade imensa de energia para romper o núcleo. 

Na fissão nuclear, o átomo não apenas quebra, mas também forma outros núcleos. Portanto, o processo pode ser esquematizado da seguinte forma: 

Agora, vamos nos aprofundar em alguns pontos a respeito desse interessante processo de transmutação nuclear.

Reação em cadeia

A fissão de um núcleo de urânio libera, além dos nuclídeos filhos – como são chamados os núcleos derivados –, alguns nêutrons. Esses nêutrons podem colidir com outros núcleos de urânio-235, provocando a sua fissão. Como consequência, mais nêutrons são liberados e colidem com outros núcleos de urânio – e assim sucessivamente. 

Podemos perceber assim que o processo desencadeia um ciclo: 

Dessa maneira, podemos concluir que a parte difícil de acontecer em uma fissão nuclear é a quebra do primeiro núcleo de urânio-235. Uma vez que isso acontece, o processo libera energia e nêutrons suficientes para quebrar os próximos núcleos.

Portanto, o estudo da fissão nuclear passa por entender o que é necessário para iniciar a reação, tendo em mente que o processo se alimenta sozinho após iniciado. A energia necessária para começar a fissão de um núcleo pesado é da ordem de 7 a 8 MeV. 

Essa quantidade é inferior ao que é necessário para quebrar completamente um núcleo – como na quebra do hélio-4, por exemplo, que requer 28,3 MeV. No entanto, ainda é uma energia muito superior à quantidade liberada nas reações químicas, que são fenômenos da eletrosfera. 

Assim, a fissão nuclear é muito difícil de ser detonada. Se o isótopo não se fissionar espontaneamente, não será possível processar a transmutação. É por isso que o urânio-238, que é o isótopo mais abundante desse elemento, não fissiona. 

Embora ele possa absorver um nêutron, formando o isótopo instável urânio-239, a energia de excitação é de apenas 5 MeV, o que não é suficiente para iniciar a fissão. 

Como não há energia suficiente para fissionar o núcleo de ²³⁹U*, ele atinge a estabilidade por meio da simples emissão de partículas gama ou pela emissão de partículas alfa, formando núcleos menores. 

Massa crítica

Outro problema que pode acontecer nos processos de fissão nuclear é que, como o movimento dos núcleos é aleatório, eles podem simplesmente escapar sem colidir com outros núcleos de urânio. 

Dessa maneira, é preciso haver uma quantidade mínima do material fissionável para que haja uma alta probabilidade de que os nêutrons gerados fiquem realmente aprisionados na amostra. Essa quantidade mínima é denominada como massa crítica.

A massa crítica depende não só do isótopo fissionável, mas também da forma geométrica em que ele está arranjado. É muito mais fácil o nêutron escapar de uma barra reta do que de uma esfera, pois, na barra, ele pode atravessar a espessura, que tem um comprimento bem inferior às demais dimensões.

A título de ilustração, trazemos as massas críticas dos principais isótopos fissionáveis quando eles se encontram na forma esférica: 

Nuclídeos formados 

Após ver como o rompimento dos núcleos acontece, vamos estudar a segunda etapa: a formação dos nuclídeos filhos. 

Os prótons e nêutrons presentes no núcleo de urânio-235 – ou qualquer outro isótopo fissionável – são altamente reativos no momento que são parcialmente liberados. Com isso, os prótons e nêutrons se reúnem facilmente com tudo o que está em volta deles. 

Tente imaginar que você pegou um martelo e vai usá-lo para quebrar uma placa de vidro em duas partes iguais. Você até pode bater várias vezes no mesmo lugar, mas, muito provavelmente, os pedaços formados serão diferentes.

Da mesma forma, é muito difícil controlar os produtos da fissão nuclear e afirmar quais serão os isótopos formados. A realidade é que basicamente qualquer isótopo relativamente estável de número atômico inferior pode ser formado. Isso é um grande problema, porque até mesmo outros radioisótopos podem aparecer como consequência. 

Os produtos principais da fissão do urânio-235 são, de fato, ₃₆𝐾𝑟⁹² + ₅₆𝐵𝑎¹⁴¹ . Porém, esses isótopos não são preocupantes. Eles apresentam tempos de meia-vida muito curtos: o criptônio-92 apresenta 1,8 segundos, enquanto o bário-142 apresenta 8,3 minutos. 

Além disso, o bário é um sólido com alto ponto de fusão, portanto, não se dispersa na atmosfera. Isso significa que, em pouco mais de 18 segundos e 83 minutos, a radiação emitida por esses radioisótopos já é praticamente nula. O problema é a formação do césio-137 – com 30 anos de meia-vida – e do iodo-131, com 8 dias de meia-vida.

O césio-137 apresenta uma meia-vida média, ou seja, sua radiação permanece no local em foi aplicada por mais de 100 anos em níveis acima do tolerável pelo ser humano. É perigoso também por ser volátil, com ponto de fusão de 28°C, o que significa que, apesar de ser sólido, ele pode se dispersar pela atmosfera.

Já o iodo-131 – apesar de sua meia-vida relativamente curta – é facilmente absorvido pelo corpo humano, tendo em vista que o iodo faz parte do metabolismo da glândula tireóide.

É interessante observar que o urânio-235 possui uma relação N/P muito elevada em relação aos núcleos menores. Por isso, quando ele se parte, é natural que os isótopos formados tenham mais nêutrons do que seria necessário para estabilizar o núcleo. 

Por exemplo, os isótopos mais abundantes do iodo e do césio são, respectivamente, ¹²⁷I e ¹³³Cs, e ambos são bastante estáveis. O iodo-138, por outro lado, emite uma série de partículas beta para se transformar no núcleo estável de bário-138.

Velocidade dos nêutrons

Para iniciar a fissão nuclear, é preciso ceder uma pequena quantidade inicial de nêutrons para a amostra de material radioativo. Portanto, é necessário ter uma fonte dessas partículas para iniciar o processo de fissão nuclear e ela deve ser de um material radioativo, tendo em vista que eles somente podem ser obtidos por meio de reações nucleares.

A descoberta dessas partículas ocorreu no ano de 1932, pelo físico inglês James Chadwick. Com os conhecimentos modernos, podemos escrever o processo radioativo observado por Chadwick pela seguinte equação nuclear. 

Esse processo é de bastante importância, pois o berílio é uma das principais fontes de nêutrons para o processo de fissão nuclear. De maneira geral, as reações nucleares são bastante exotérmicas, por isso, os nêutrons emitidos costumam ser muito rápidos, com energia superior a 2 MeV. São tão rápidos que escapam com facilidade do reator de fissão.

Portanto, nos reatores térmicos, é muito comum utilizar um moderador para desacelerar alguns nêutrons muito rápidos. A ideia é utilizar um isótopo com baixa afinidade por essas partículas. Geralmente, são elementos leves, já que os mais pesados podem absorver nêutrons mais facilmente. 

O ideal é que eles tenham a maior densidade possível, pois isso implica em uma maior proporção possível de núcleos por volume. Sendo assim, substâncias no estado gasoso devem ser evitadas. 

Sucessivas colisões com os núcleos do moderador diminuem a energia cinética dos nêutrons, tornando-os aptos a participar da fissão nuclear. Podemos resumir as características de um bom moderador de velocidade: 

Os materiais mais utilizados como moderadores são a água pesada (D₂O) – que é a molécula de água formada por dois átomos de deutério, em vez de hidrogênio leve – e o carbono grafite, formado principalmente por átomos ¹²C, isótopo que é bastante estável.

Enriquecimento do urânio

O urânio é obtido na natureza principalmente na forma de dióxido de urânio UO₂, que é um sólido que contém 99,3% do isótopo ²³⁸U e apenas 0,7% em massa do isótopo ²³⁵U, que é físsil. Em geral, é preciso utilizar um teor de cerca de 3% do isótopo ²³⁵U nos reatores de fissão nuclear – por isso, o urânio natural precisa ser enriquecido. 

Trata-se de um processo bastante caro, pois as diferenças entre ²³⁵UO₂ e ²³⁸UO₂ são muito pequenas. Lembre-se das propriedades dos isótopos: 

Como existe uma pequena variação de massa (cerca de 1%), os dois isótopos apresentarão propriedades físicas ligeiramente diferentes em seus compostos, como a densidade. O método mais utilizado para explorar essa sutileza é a centrifugação; porém, esse processo não pode ser aplicado no UO₂, já que esse minério é sólido. 

O que se faz normalmente é converter o urânio em gasoso por meio de algumas reações químicas: 

O hexafluoreto de urânio é submetido à centrífuga. Como as diferenças de massa entre os dois isótopos de urânio a serem separados são muito pequenas, o processo é extremamente lento e caro. Por isso, somente para fins militares é que se costuma obter purezas superiores do isótopo ²³⁵U.

Fusão nuclear

A fusão nuclear acontece quando núcleos menores se combinam para formar núcleos maiores. Como vimos, a energia de ligação por nucleon dos elementos mais leves é pequena e vai crescendo com o aumento da quantidade de prótons e nêutrons até o núcleo de ferro-56.

A reação de fusão nuclear mais simples e conhecida envolve os dois isótopos do hidrogênio: deutério e trítio. O resultado é a liberação do núcleo estável de hélio-4, segundo a equação: 

Outras reações muito comuns envolvem apenas o deutério: 

Um ponto curioso é que, ao contrário do processo de fissão nuclear, os produtos formados não representam riscos radioativos. Por conta disso, a fusão nuclear é considerada uma fonte limpa de energia, o que a faz ser estudada em laboratórios do mundo inteiro.

Outra vantagem é que a energia liberada é muito superior. Enquanto a fissão completa de 1 g de urânio leva à liberação de energia correspondente a 18 toneladas de TNT, a fusão completa de 1 g de deutério leva à liberação de energia corresponde a incríveis 58 toneladas de TNT! 

 Vale ressaltar, ainda, que o hidrogênio é muito mais abundante na Terra do que o urânio, portanto, o combustível seria praticamente ilimitado.

A grande dificuldade, no entanto, para iniciar essa reação é vencer a forte repulsão que surge entre os núcleos de dois átomos de hidrogênio quando se aproximam.

As forças nucleares só possuem um alcance muito curto, cerca de alguns femtômetros. Até conseguir aproximar tanto dois átomos de hidrogênio, é necessário vencer a intensa repulsão eletrostática entre eles, já que os prótons são cargas de mesmo sinal. 

Os métodos mais comuns para promover essa aproximação são: 

• Acelerador de Partículas: nesse equipamento, os materiais são rotacionados em velocidades extremamente rápidas, o que permite maior incidência de colisão entre núcleos.
• Temperaturas Altíssimas: em temperaturas superiores a um milhão de graus Celsius, forma-se um plasma gasoso. O plasma, considerado o quarto estado da matéria, é formado por íons gasosos envoltos por uma matriz de elétrons livres. Como os átomos tiveram seus elétrons retirados, as colisões se darão entre seus núcleos.

Atenção! É importante observar que a temperatura não influencia nos processos radioativos, tendo em vista que a agitação térmica comum somente influencia a distância entre duas eletrosferas, mas não afeta o núcleo. 

Porém, no estado de plasma, a milhões de graus Celsius, as temperaturas são tão elevadas que a energia cinética dos átomos é suficiente para desafiar a repulsão eletrostática entre os prótons, o que começa a influenciar os fenômenos nucleares, entre os quais, se inclui a fusão nuclear.

Infelizmente, devido às altas temperaturas necessárias para iniciar o processo de fusão nuclear, ainda não se conhece uma maneira de se processar essa transmutação de modo controlado. 

Como assim? Bem, a fusão não poderia acontecer dentro de um recipiente sólido – como um reator de aço, por exemplo – pois, ao entrar em contato com esse material, o plasma provocaria a sua rápida vaporização. 

Uma das principais ideias em pesquisa é o confinamento magnético. Nessa técnica, o plasma poderia ser confinado no interior de um campo magnético extremamente elevado. A construção de um reator de fusão nuclear em que a reação poderia acontecer de maneira controlada é uma das mais aguardadas invenções da Ciência. 

Na prática! 

Agora que você conhece a fusão e a fissão nuclear, que tal colocar o que aprendeu em prática com questões? Responda a seguir!

(TFC – Inédita) A respeito dos processos de fissão e fusão nuclear, assinale a alternativa correta.

a) Na fusão nuclear, núcleos atômicos menores formando núcleos atômicos maiores, absorvendo uma grande quantidade de energia.

b) A fissão nuclear é o processo utilizado na produção de energia nas usinas atômicas, porque apresenta baixo impacto ambiental, sendo considerada uma energia limpa e sem riscos.

c) A energia liberada pelo Sol se deve às reações de fissão nuclear que ocorrem na estrela.

d) A equação: ₀n¹ + ₉₂U²³⁵ → ₅₆Ba¹⁴⁰ + ₃₆Kr⁹³ + 3. ₀n¹ representa uma reação de fissão nuclear.

e) O processo de fusão nuclear foi primeiramente dominado pelos americanos para a construção das bombas atômicas de Hiroshima e Nagasaki.

Resposta: 

A questão busca confundir os conceitos de fissão e fusão nuclear.

a) A fusão libera energia, não absorve. Por isso, a letra A está errada.

b) A fissão nuclear, de fato, é utilizada nas usinas atômicas. Mas a sua grande desvantagem reside no fato de que possui elevado impacto ambiental, pois pode gerar isótopos radioativos, como césio-140 e iodo-131. Alternativa errada.

c) A energia do Sol é liberada por fusão nuclear. Alternativa errada.

d) A equação representada representa a fissão do núcleo de urânio. Alternativa correta.

e) A bomba atômica se baseia em um processo de fissão nuclear, não fusão. Alternativa errada.

Gabarito: D

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