Fissão e fusão nuclear – geração de eletricidade

A física nuclear é um campo da ciência que explora as propriedades e o comportamento do núcleo atômico. Compreender isso nos ajuda a aproveitar as reações nucleares para várias aplicações, especialmente geração de energia. Os dois processos fundamentais em física nuclear que produzem energia são a fissão nuclear e a fusão nuclear.

Fissão nuclear

Fissão nuclear é uma reação na qual um núcleo pesado se divide em dois núcleos menores, liberando alguns nêutrons e uma grande quantidade de energia. Este processo é utilizado em usinas nucleares para produzir eletricidade.

Como a fissão nuclear funciona

Imagine um átomo pesado como o urânio-235. Quando um nêutron atinge esse núcleo de urânio, ele se torna instável e se divide em dois núcleos menores. Essa divisão, ou fissão, libera nêutrons adicionais e uma quantidade significativa de energia. Esses nêutrons liberados podem então colidir com outros núcleos de urânio, causando mais reações de fissão. Isso é chamado de reação em cadeia.

A reação básica de fissão pode ser representada como:

        ^{235}_{92}U + ^{1}_{0}n rightarrow ^{236}_{92}U rightarrow ^{140}_{56}Ba + ^{93}_{36}Kr + 3^{1}_{0}n + text{Energia}
        ^{235}_{92}U + ^{1}_{0}n rightarrow ^{236}_{92}U rightarrow ^{140}_{56}Ba + ^{93}_{36}Kr + 3^{1}_{0}n + text{Energia}
    

Aqui, o núcleo de urânio-235 absorve um nêutron, divide-se em bário-140 e criptônio-93, liberando mais três nêutrons e energia.

Reação em cadeia

Uma reação em cadeia na fissão nuclear ocorre quando nêutrons liberados de um evento de fissão causam mais eventos de fissão. Se não for controlado, esse processo pode se tornar muito rápido e liberar quantidades enormes de energia de forma explosiva, como em armas nucleares. No entanto, em usinas de energia, a reação é controlada para usar a energia com segurança.

Barras de controle feitas de materiais como cádmio ou boro são usadas para absorver nêutrons em excesso, controlando assim o processo. Esta gestão de nêutrons ajuda a manter a taxa desejada de fissão para a produção contínua de energia.

Aplicações da fissão nuclear

A energia produzida pela fissão nuclear é usada principalmente para gerar eletricidade. As usinas nucleares funcionam da mesma forma que as usinas de combustíveis fósseis, mas usam o calor da fissão em vez de queimar carvão. O calor transforma a água em vapor, que então movimenta turbinas conectadas a geradores elétricos.

Fusão nuclear

A fusão nuclear é o processo no qual dois núcleos atômicos mais leves se combinam para formar um núcleo mais pesado, liberando energia. A fusão é o processo que alimenta o sol e as estrelas, e oferece uma fonte potencial abundante de energia na Terra.

Como funciona a fusão nuclear?

Na fusão, são necessárias condições de temperatura e pressão extremamente altas para aproximar os núcleos de dois átomos a ponto de superar as forças de repulsão entre eles. Nessas altas temperaturas, os elétrons se separam, deixando os núcleos positivamente carregados — íons — livres para colidir. Quando os núcleos chegam muito perto, a força nuclear os atrai, realizando a fusão.

Uma reação de fusão simples envolve isótopos de hidrogênio - deutério e trítio. A fusão de deutério e trítio produz um núcleo de hélio, um nêutron e energia, conforme mostrado na reação:

        ^{2}_{1}H + ^{3}_{1}H rightarrow ^{4}_{2}He + ^{1}_{0}n + text{Energia}
        ^{2}_{1}H + ^{3}_{1}H rightarrow ^{4}_{2}He + ^{1}_{0}n + text{Energia}
    

A possibilidade da energia de fusão

A energia de fusão tem várias vantagens sobre a fissão. Primeiro, os combustíveis usados na fusão (deutério e trítio) são mais abundantes do que urânio ou plutônio. A água contém bastante deutério, e o lítio, a partir do qual o trítio pode ser feito, é abundante na crosta terrestre.

Em segundo lugar, a fusão produz resíduos radioativos de vida longa mínimos em comparação com a fissão. Além disso, não há chance de uma reação incontrolável como nos reatores de fissão, pois manter as altas temperaturas e pressões necessárias para a fusão é um desafio inerente.

Os desafios da fusão

O principal desafio em aproveitar a energia de fusão é manter as condições necessárias para a fusão – temperaturas e pressões extremas – tempo suficiente para extrair a energia. Cientistas estão trabalhando em vários métodos, como confinamento magnético (tokamaks) e confinamento inercial, para realizar reações de fusão.

Comparação entre fissão e fusão

Compreender tanto a fissão quanto a fusão revela seus pontos fortes e limitações. Aqui está uma comparação simples:

Aspecto	Fissão	Fusão
Combustível	Urânio-235, Plutônio-239	Deutério, Trítio
Rendimento energético	Alto	Potencialmente mais
Desperdício radioativo	Importante	Mínimo
Controle de feedback	Possível com barras de controle	Dificuldade de manter atualmente

Conclusão

Tanto a fissão quanto a fusão nuclear oferecem caminhos para a produção de energia em grande escala. A fissão é atualmente usada em usinas nucleares ao redor do mundo, enquanto a fusão promete para o futuro. Ao pesquisar e melhorar constantemente esses processos, nosso objetivo é encontrar soluções sustentáveis para atender às nossas necessidades energéticas.

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