Trabalhos Escolares

Física: como ocorre a reação de fusão nuclear?

Os fenômenos envolvidos na fusão nuclear constituem o fundamento das reações termonucleares que ocorrem no interior das estrelas.

Fusão nuclear é a união dos prótons e nêutrons de dois átomos para formar um único núcleo atômico, de peso superior àqueles que lhe deram origem. Nesse processo, é liberada uma quantidade de energia equivalente à diferença entre a energia de ligação do novo átomo e a soma das energias dos átomos iniciais.

São as reações de fusão nuclear que fornecem a energia irradiada pelo Sol, pela fusão de quatro átomos de hidrogênio para formar um átomo de hélio. Dados espectroscópicos indicam que esse astro é constituído de 73% de átomos de hidrogênio e 26% de átomos de hélio, sendo o restante fornecido pela contribuição de vários elementos.

Para que ocorra o processo de fusão, é necessário superar a força de repulsão elétrica entre os dois núcleos, que cresce na razão direta da distância entre eles. Como isso só se consegue mediante temperaturas extremamente elevadas, essas reações também se denominam reações termonucleares. Durante muito tempo, a única reação de fusão nuclear realizada na Terra era a utilizada na bomba de hidrogênio, em que a explosão atômica fornece a temperatura necessária (cerca de quarenta milhões de graus Celsius) para que a fusão tenha início.

A fusão nuclear controlada proporcionaria uma fonte de energia alternativa relativamente barata para a produção de eletricidade e contribuiria para poupar as reservas de combustíveis fósseis como o petróleo, o gás natural e o carvão, que decrescem rapidamente. As reações controladas podem ser obtidas com o aquecimento de plasma (gás rarefeito com elétrons e íons positivos livres), mas se torna difícil conter os plasmas nos altos níveis de temperatura requeridos para as reações de fusão auto-sustentadas, pois os gases aquecidos tendem a expandir-se e escapar da estrutura circundante. Experiências com reator de fusão já foram empreendidas em vários países.

A fusão nuclear é um tipo de reação que produz imensas quantidades de energia. Ela ocorre naturalmente no interior do Sol, gerando a energia térmica que necessitamos para sobreviver na Terra. A temperaturas de 14.000.000 ºC (quatorze milhões de graus Celsius), os núcleos de dois átomos de hidrogênio se fundem ou unem. No processo, um pouco de massa é perdida e convertida em energia.

No sol, onde a fusão nuclear ocorre naturalmente, os núcleos de tipos de gás hidrogênio se fundem formando o gás hélio e mais uma partícula atômica chamada nêutron. Nesse processo se perde uma pequena quantidade de massa que se converte em enorme quantidade de energia. As temperaturas extremamente altas que existem no Sol, fazem com que este processo se repita continuamente.

Reatores de fusão nuclear

Para alcançar as temperaturas necessárias para a fusão nuclear, os átomos de hidrogênio são aquecidos em um reator de fusão. Os núcleos dos átomos são separados dos elétrons (partículas com carga elétrica negativa) e se forma um tipo especial de matéria chamado plasma.

Para que os núcleos separados de hidrogênio possam se fundir, o plasma deve ser conservado a temperatura de aproximadamente 14.000.000 ºC (quatorze milhões de graus Celsius).

Física: como ocorre a reação de fissão nuclear?

Há dois tipos de reação nuclear: a fissão e a fusão. As usinas nucleares usam a fissão para produzir sua energia.

Partículas atômicas que se movem com grande rapidez, chamadas nêutrons, são atiradas contra o núcleo do átomo para dividi-lo.

Essa divisão é chamada fissão e faz com que os outros átomos também se dividam, numa reação em cadeia. Nesse processo, um pouco da massa (o número de partículas pesadas dentro do átomo) se perde, convertendo-se em imensas quantidades de energia.

Ao se iniciar uma reação de fissão nuclear, uma partícula rápida chamada nêutron é disparada contra o núcleo de um átomo de Urânio 235. O nêutron de alta velocidade, tem potência suficiente para penetrar no interior do núcleo onde é absorvido, em seguida, o núcleo se divide em duas partes num processo chamado fissão. Essa fissão produz mais dois ou três nêutrons que vão dividir mais núcleos numa reação em cadeia. Cada vez que um átomo sofre uma fissão, libera grande quantidade de energia.

Urânio-235 é uma forma de urânio utilizada em reações nucleares em cadeia, por que seus átomos instáveis se desintegram facilmente. Se o fragmento de urânio ultrapassar certo tamanho (conhecido como massa crítica), seus átomos se desintegram automaticamente.

A massa crítica de urânio-235 equivale a mais ou menos o tamanho de uma bola de tênis. Se for maior, os átomos automaticamente se desintegram e cada um, por sua vez, libera dois ou três nêutrons. Cada nêutron desintegra o núcleo de dois ou três átomos. A cada vez que um átomo se desintegra, enorme quantidade de energia é liberada. Uma reação em cadeia, não controlada, prosseguiria indefinidamente.

Reatores de fissão nuclear

Os reatores de fissão produzem energia nuclear em usinas geradoras. No centro do reator, há barras cilíndricas de urânio-235, cujos átomos se desintegram em reações nucleares em cadeia.

As reações são intensificadas e diminuídas (ou mesmo interrompidas) por um moderador (usualmente grafita), por barras de boro ou cádmio. As energias dessas reações aquece água ou dióxido de carbono. Isso produz o vapor. O reator de fissão é alojado no interior de uma cúpula de paredes de concreto. Por segurança, no centro ou núcleo do reator as barras de urânio combustível ficam sob 10m de água.

Física: o que estuda a física nuclear?

A física nuclear é a a ciência que estuda o núcleo de um átomoO estudo do núcleo (centro) do átomo é. Com esse estudo, os cientistas descobriram maneiras de dividir o núcleo do átomo para liberar grandes quantidades de energia.

Ao se partir um núcleo, ele faz com que muitos outros se dividam, numa reação nuclear em cadeia. Nas usinas nucleares as reações são controladas e produzem luz e calor para nossos lares. Usinas nucleares produzem artificialmente grandes quantidades de energia.

O Sol é a maior fonte de energia nuclear. A cada segundo no interior do Sol, ocorrem milhões de reações nucleares em cadeia, pois, o intenso calor do Sol fazem com que seus átomos se choquem uns contra os outros e simulam em reações conhecidas como fusão nuclear. O núcleo de cada átomo libera energia que sentimos na forma de calor e enxergamos na forma luz. Enormes explosões de energias, chamadas de protuberâncias solares, ocorrem ocasionalmente na superfície do Sol.

Física de partículas

Tudo que conhecemos consiste em minúsculos átomos, que são formados por partículas ainda menores. A física de partículas é o estudo dessas últimas que constituem os mais básicos blocos formadores da matéria no universo.

O estudo das partículas dá aos cientistas o conhecimento amplo do Universo e da natureza da matéria. Grande parte deles concorda que o universo se formou numa grande explosão, chamada de Big Bang. Segundos após o Big Bang, acredita-se que as partículas atômicas e a radiação eletromagnética foram as primeiras coisas que passaram a existir no Universo.