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Qual é a diferença entre fissão e fusão nuclear?

Por| Editado por Patricia Gnipper | 28 de Março de 2022 às 08h30

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Hal Gatewood/Unsplash
Hal Gatewood/Unsplash

Tanto a fusão quanto a fissão nuclear são processos naturais que ocorrem no núcleo de um átomo e geram energia. Mas qual a diferença entre fissão e fusão nuclear? Em poucas linhas, é que na fusão temos a combinação de dois ou mais átomos leves, enquanto a fissão envolve a divisão de um único núcleo atômico, geralmente pesado e instável. Mas de onde vem a energia desses eventos? É o que você descobre nesta matéria.

A fusão nuclear é um dos fenômenos mais comuns do universo — afinal, cada estrela que existe produz energia por meio desse processo. Por outro lado, a fissão acontece quando um elemento possui uma quantidade maior de prótons e nêutrons em seus átomos, e também ocorre naturalmente, embora esse elementos sejam raros.

Aqui na Terra, só descobrimos o poder da fusão atômica no século XX. Tudo começou em 1905, com Albert Einstein, mas foram necessárias algumas décadas de estudo dos átomos e das forças fundamentais da natureza para descobrir de onde vem a energia liberada nesses processos.

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Equivalência massa-energia: E=mc²

Quando Einstein publicou um artigo sobre a equivalência massa-energia, o mundo começou a ser transformado, ainda que as primeiras provas disso só tenham sido obtidas anos depois. Ele não foi o primeiro a propor essa ideia, mas veio dele a teoria (correta) de que essa equivalência é uma consequência das simetrias do espaço e tempo.

Essas conclusões culminaram na famosa fórmula E=mc², que tem consequências simples, mas fantásticas. Ela significa que toda matéria possui uma energia inerente equivalente à sua massa. Teoricamente, ela pode ser convertida em pura energia, assim como a energia pode ser convertida em massa.

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Tais conceitos foram melhor desenvolvidos na Teoria da Relatividade Geral, publicada por Einstein em 1915 e comprovada desde então, até os dias de hoje, por inúmeros experimentos. Com ela, massa e energia são duas formas da mesma coisa, e uma não existe sem a outra.

Além disso, é bem estabelecido que a quantidade total de massa e energia no universo permanece constante, ou seja, não é algo que pode ser criado ou destruído, muito menos desaparecer. Por fim, energia acumulada exibe massa. Esses princípios são importantes para a física das partículas, que rege a fusão e fissão nuclear.

Portanto, um corpo em repouso tem uma energia potencial proporcional, ao contrário do que diz a lei da gravitação de Newton. A fórmula também pode revelar quanta massa foi perdida por um corpo em repouso quando alguma energia é removida dele — como em uma reação química onde calor e luz são removidos.

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A energia removida nesses casos será igual à massa perdida, multiplicado pelo quadrado da velocidade da luz. Essa é apenas uma das implicações da relação massa-energia. Mas que energia é essa e como podemos obtê-la?

Força nuclear forte

Os núcleos dos átomos são compostos por prótons (de carga positiva) e nêutrons (sem carga elétrica), mas isso parece contraintuitivo — dois prótons não deveriam se manter unidos porque suas cargas positivas resultariam em repulsão. Portanto, deve haver algo que os mantém unidos: esse algo é conhecido como força forte.

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A teoria quântica da força forte é conhecida como cromodinâmica quântica e descreve as interações entre partículas que não possuem carga elétrica, mas sim "carga de cor” (daí o nome da cromodinâmica quântica; cromo vem da palavra grega para cor).

Contudo, essa força é mais poderosa quando o núcleo é pequeno e suas partículas estão próximas. Nesse caso, ela é superior à força eletromagnética, que está tentando repelir e “desmanchar” (ou decair, na termologia técnica) o núcleo do átomo. Mas se um núcleo for grande, com muitos prótons e nêutrons, há boas chances da força eletromagnética vencer a “disputa”.

Qual é a diferença entre fissão e fusão nuclear?

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Os dois processos são naturais, mas também podem ser feitos em um laboratório. Enquanto a fusão ocorre quando dois átomos são "esmagados" para formar um único átomo de um novo elemento, a fissão consiste na divisão de um núcleo atômico. Em ambos, parte da massa desses átomos será convertida em energia, conforme vimos na fórmula E=mc².

Fissão nuclear

Quando a força forte é “derrotada”, a energia das forças repelente das partículas que estavam “grudadas” é liberada e o átomo é “dividido ao meio”, por assim dizer. Cada uma das “metades” resultantes da divisão tem um pouco menos da metade da massa do núcleo atômico original.

Mas, se é assim, onde está a massa desaparecida? Bem, lembra que massa pode ser convertida em energia? É assim que parte desse núcleo atômico se transforma na energia produzida pelo processo de fissão nuclear.

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Consideremos agora o urânio-235 — ele tem 92 prótons e 143 nêutrons (235 no total). Esse núcleo é tão instável que pode decair facilmente. Por isso é tão usado em reatores e bombas nucleares. Quando um átomo dessa matéria decai naturalmente, ele libera um nêutron.

Se esse nêutron atingir outros átomos de urânio próximos, eles também se dividirão, criando uma reação em cadeia. Essa foi a descoberta que nos levou à produção de explosivos atômicos e usinas nucleares.

Nas usinas de fissão nuclear, esse processo é cuidadosamente controlado. Mas, em uma bomba atômica, a reação em cadeia é iniciada com elétrons atingindo núcleos atômicos e tudo fica fora de controle, com um efeito cascata aumentando cada vez mais. Isso libera uma tremenda quantidade de energia em um curto espaço de tempo.

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Fusão nuclear

Na fusão nuclear, temos algo parecido, porém inverso. Em vez de dividir átomos, a fusão os junta em um só núcleo atômico, o que também libera energia. O elemento mais comum para esse processo é o hidrogênio, ou alguns de seus isótopos, mas para iniciar o processo de fusão nuclear é preciso muita pressão e temperatura — coisa que as estrelas têm de sobra.

Após a fusão de dois núcleos atômicos de elementos leves, o resultado é um átomo um pouco menos massivo que a soma dos dois núcleos originais. Como na fissão, essa massa foi perdida porque se converteu em energia.

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Mas gerar energia suficiente para esmagar os átomos até que eles “grudem” não é nada fácil (as estrelas são realmente incríveis por fundir átomos, não e mesmo?), mas estamos no caminho certo para fazer isso em um futuro breve. O desenvolvimento de algumas tecnologias de reator de fusão já está em andamento.

Já que não podemos reproduzir a pressão de uma estrela, os cientistas apostam na produção de calor e campos magnéticos para controlar os átomos. Na prática, raios lasers atingem uma pequena nuvem de hidrogênio para aquecê-la até alguns milhões de graus. Isso transforma o hidrogênio em plasma, que deve ser controlado pelos campos magnéticos.

Por enquanto, a energia para esse processo funcionar de modo eficaz é ainda é maior que a energia obtida pela fusão. Além disso, os campos magnéticos exigem ímãs gigantes e poderosos. Por isso, os experimentos nos reatores duram apenas alguns segundos, mas as temperaturas já atinge níveis recordistas, superando o calor no interior de uma estrela como o Sol.

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A fusão nuclear pode produzir três a quatro vezes mais energia que a fissão. Além disso, o hidrogênio (ou seus isótopos) é o elemento mais abundante do universo, então o “combustível” para esses reatores não será um problema. Por fim, a fusão nuclear é muito mais segura que a fissão porque não deixa lixo radioativo para trás.

Por esses motivos, os cientistas estão certos que a fusão nuclear é a melhor opção para produzirmos energia limpa, segura e praticamente inesgotável. A previsão é que os reatores comecem a produzir mais energia do que consomem na década de 1930.

Fonte: Duke EnergyLive Science