Fissão nuclear

A fissão nuclear é o processo no qual um nêutron é disparado contra o núcleo de um determinado átomo, e com o choque o núcleo se quebra, ocorrendo uma grande liberação de energia térmica e a formação de dois novos compostos, mais leves que o inicial. Os novos elementos formados pela quebra do núcleo inicial acabam se chocando também, formando uma reação em cadeia, liberando energia a cada quebra de núcleo até o sistema atingir uma estabilidade.

Esse processo é utilizado para produção de energia elétrica nas usinas termonucleares e pode ser utilizado também como armamento de destruição em massa, como foi demonstrado durante a Segunda Guerra Mundial com as bombas atômicas lançadas sobre o Japão.

Leia também: Armas nucleares — dispositivos que utilizam a fissão ou fusão nuclear para liberar energia

Resumo sobre fissão nuclear

• A fissão nuclear consiste em bombardear o núcleo de um átomo com nêutrons para liberar uma quantidade enorme de energia térmica.

• É utilizada para produção de energia nas usinas termonucleares e para a construção de bombas atômicas e outros armamentos.

• Consiste na quebra do núcleo de um átomo. Por sua vez, a fusão nuclear consiste na união de dois núcleos, resultando em um núcleo maior e liberando mais energia térmica que a fissão nuclear.

• A fissão nuclear tem como consequência a liberação de uma grande quantidade de energia térmica, radiação gama e a formação de núcleos menores do que o núcleo original.

O que é fissão nuclear?

A fissão nuclear é o processo no qual um nêutron sofre uma aceleração e é direcionado para o núcleo de um determinado átomo, que recebe o nome de massa ou combustível físsil, chocando-se com ele. Depois desse choque, o núcleo inicial absorve o nêutron e passa para um estado excitado. Após um curto espaço de tempo, ele se divide em dois núcleos menores, que por sua vez são bombardeados com outros nêutrons, iniciando assim uma reação em cadeia.

Para que essa reação em cadeia ocorra, é necessária uma determinada quantidade de massa do núcleo original, denominada massa crítica. Caso a quantidade de matéria for inferior, a reação em cadeia não ocorrerá. A figura a seguir mostra como ocorre a fissão nuclear.

A equação a seguir representa a fissão nuclear do urânio-235 (\({_{92}^{235}}U\)), que ao ser bombardeado por um nêutron (\({_{1}^{0}}n\)) irá absorvê-lo, ficando em um estado instável e excitado (\({_{92}^{236}}U\)). Logo depois, se dividirá em dois elementos distintos, chamados produtos da fissão: um núcleo de bário-164 (\({_{56}^{144}}Ba\)), um de criptônio-89 (\({_{36}^{89}}Kr\)), três nêutrons (\({3_{0}^{1}}n\)) e uma quantidade elevada de energia (E).

\({_{92}^{235}}U+{_0^1}n→{_{92}^{236}}U→{_{56}^{144}}Ba+{_{36}^{89}}Kr+3{_0^1}n+E\)

Aplicações da fissão nuclear

A fissão nuclear, atualmente, possui duas aplicações principais: produção de energia elétrica e armamentos.

A produção de energia elétrica ocorre nas usinas termoelétricas, onde o urânio-235 é utilizado como combustível físsil. O reator nuclear, onde o urânio é colocado, fica submerso em uma determinada quantidade de água, e, devido à produção de energia térmica da fissão desse urânio (energia termonuclear), a água passa para o estado gasoso (energia térmica ou calor). O calor, por sua vez, faz com que as turbinas dos geradores se movam (energia mecânica do tipo cinética), gerando assim energia elétrica.

Nos reatores a fissão ocorre de maneira controlada, para evitar aquecimentos excessivos e causar acidentes, fato que ocorreu em Chernobyl, na Ucrânia, em 1986.

No caso de armamentos, as bombas atômicas mais conhecidas foram utilizadas nas cidades japonesas de Hiroshima (Little Boy, com o poder de 12.000 toneladas de dinamite) e Nagasaki (Fat Man, com o poder de 22.000 toneladas de dinamite), que foram peças-chave da vitória americana.

Diferentemente dos reatores, onde a fissão ocorre de forma controlada, nas bombas ela ocorre de forma desenfreada, com a finalidade de maior liberação de energia possível. A nuvem em forma de cogumelo gerada é por causa do alto índice de calor resultante, que faz com que os gases e outras partículas adquiram altitudes elevadas, por ficarem menos densos que o ar. Para saber mais sobre o lançamento das bombas atômicas no Japão, leia: Lançamento das bombas atômicas em Hiroshima e Nagasaki.

Fissão nuclear x fusão nuclear

A fissão nuclear implica na quebra do núcleo (fissão = quebra). A fusão nuclear consiste em fazer com que dois núcleos leves se fundam, em temperaturas muito elevadas, e deem origem ao núcleo de um elemento mais pesado. Um exemplo disso seria dois núcleos de hidrogênio (\(_1^1H\)) se fundindo e formando um núcleo de hélio (\(_2^4He\)), processo que deu origem ao Sol. A fusão pode liberar muito mais energia do que a fissão, porém a temperatura para que ela ocorra deve ser tão elevada que é necessária a fissão nuclear para atingi-la.

Leia também: Césio-137 — isótopo radioativo derivado de processos de fissão nuclear

Descoberta da fissão nuclear

A fissão nuclear foi descoberta na Alemanha por Otto Hahn (1879-1968), em parceria com Fritz Strassmann (1902-1980) e com colaboração da física austríaca Lise Meitner (1878-1968). Seus experimentos consistiam em atingir núcleos de urânio com nêutrons com a finalidade de obter elementos mais pesados que ele. Porém, o elemento resultante não era estável e logo se dividia em dois elementos distintos e mais leves que o urânio, que no caso são o bário e o criptônio.

Por essa descoberta ter sido feita por pesquisadores alemães, os físicos asilados nos Estados Unidos Albert Einstein e Leo Szilard escreveram uma carta (sendo que o primeiro foi convencido pelo segundo) para o presidente americano Franklin D. Roosevelt falando sobre a possibilidade de a Alemanha desenvolver uma bomba atômica, o que fez com que o presidente criasse o Projeto Manhattan, que possibilitou a construção das bombas atômicas lançadas no Japão.

Consequências da fissão nuclear

A fissão nuclear tem como consequência a liberação de energia térmica e a emissão de radiação gama. A energia liberada da fissão nuclear do urânio-235 equivale a aproximadamente 8.10¹º KJ/kg. Em termos de energia elétrica consumível, equivale a cerca de 5.10⁴ KWh por cada quilograma de urânio-235. Para compreender a quantidade de energia que isso representa, auxilia saber que 1 kg de carvão mineral produz 3 KWh e que 1 kg de gasolina equivale a cerca de 8,89 KWh.

Outra consequência da fissão nuclear do urânio é que ela libera radiação gama, que é uma onda eletromagnética, ou seja, não precisa de um meio para se propagar. A radiação gama é ionizante, portanto quando atinge um elemento faz com que seus elétrons se desloquem, transformando o átomo em questão em um íon. Quando o corpo humano recebe esse tipo de radiação de forma descontrolada, pode gerar morte celular e, consequentemente, a formação de cânceres.

No caso das usinas termonucleares, apesar da sua eficiência na produção de energia elétrica, o descarte dos produtos da reação e da água utilizada no reator pode causar grandes malefícios à natureza, e o custo para que este descarte seja feito de forma adequada pode ser muito elevado, o que faz com que muitos gestores desse tipo de usina optem por um descarte irregular e danoso ao meio ambiente.

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Exercícios resolvidos sobre fissão nuclear

Questão 1

Referente à fissão nuclear, leia as afirmações a seguir.

I) Foi descoberta nos Estados Unidos da América para construção da bomba atômica.

II) Implica na quebra de um núcleo atômico por um nêutron, que é um componente do átomo desprovido de carga.

III) A quantidade mínima de matéria para ocorrer a reação em cadeia na fissão nuclear é denominada massa crítica.

Marque a alternativa que informa corretamente a veracidade das afirmações anteriores.

a) FFV

b) VVF

c) FVV

d) FVF

e) VFV

Resposta

Letra C

I) Falsa. A descoberta da fissão nuclear ocorreu na Alemanha, e a bomba atômica foi criada por medo de os alemães utilizarem a fissão para esse mesmo fim.

II) Verdadeira. Fissão nuclear significa quebra do núcleo e é um processo que necessita de um nêutron acelerado.

III) Verdadeira. Caso a quantidade de massa crítica não seja utilizada, a reação em cadeia não ocorrerá.

Questão 2

Considere as informações a seguir e marque a alternativa incorreta.

a) A fissão nuclear foi descoberta por cientistas alemães que utilizaram núcleos de urânio bombardeados por nêutrons para obter núcleos de elementos mais pesados.

b) Na fissão nuclear do urânio-235, no momento após o choque do nêutron com o núcleo, este último se parte em dois, originando dois novos elementos mais leves.

c) A fusão nuclear carece da energia equivalente ao processo da fissão nuclear para ocorrer.

d) Nas usinas termonucleares, os geradores são movidos pela ação do vapor da água que é gerado da fissão nos reatores que estão imersos nela.

e) A radiação gama é um dos produtos da fissão nuclear do urânio-235.

Resposta

Letra B

a) Verdadeira

b) Falsa. Após o choque entre o nêutron e o núcleo, é gerado um núcleo menos instável, o urânio-236, que se divide em dois em pouco tempo após sua formação: no bário-144 e no criptônio-89.

c) Verdadeira

d) Verdadeira

e) Verdadeira