Já foi discutido que o processo de fusão vem acompanhado de liberação de energia porque as energias de ligação por núcleon dos núcleos iniciais são menores do que a energia de ligação por núcleon do núcleo final. Tomando como exemplo a fusão de dois núcleos de oxigênio 16 para formar um núcleo de enxofre 32 foi visto que era liberada uma energia de 25,6 MeV. O cálculo foi o possível de ser feito a partir do gráfico E / A contra A.
Agora, fazendo Z1 = Z2 = 8 na expressão para a energia cinética mínima dos núcleos para que ocorra a fusão vem:
Então, em princípio, a energia liberada nessa fusão é suficiente para excitar outros núcleos e produzir uma reação em cadeia. O mesmo vale para outros exemplos de fusão. E de modo análogo ao caso da fissão, num reator nuclear, a reação é controlada, e numa bomba termonuclear (bomba H), não.
Reator de fusão nuclear é qualquer sistema físico onde se produz e se controla uma reação nuclear de fusão em cadeia. Embora existam vários métodos propostos e sendo implementados para a geração de energia por meio da fusão, ainda não existe um reator que funcione satisfatoriamente.
A reação de fusão deutério-hélio 3:
e a reação de fusão deutério-trítio:
são consideradas as mais importantes porque liberam grande quantidade de energia por unidade de massa.
Contudo, para a implementação da reação deutério-hélio 3, deve-se enfrentar um problema até agora em aberto: enquanto o deutério pode ser facilmente obtido da água do mar, o hélio 3 é raro e não pode ser obtido por qualquer processo simples.
Por outro lado, para a implementação da reação deutério-trítio, deve-se enfrentar os seguintes problemas: o trítio é muito raro na natureza e os nêutrons produzidos, ao serem absorvidos por vários tipos de núcleos, podem originar núcleos radioativos. Aparentemente, esses dois problemas têm solução.
A escassez de trítio pode ser resolvida porque o trítio pode ser produzido pelo bombardeamento de lítio pelos nêutrons liberados num reator de fissão, segundo a reação:
e o perigo dos nêutrons produzidos também pode ser resolvido porque os nêutrons podem ser absorvidos por lítio segundo a mesma reação e com a vantagem de se produzir mais trítio.
O obstáculo mais importante que impede o funcionamento satisfatório dos reatores de fusão é a incapacidade de se manter uma certa quantidade de plasma de deutério e trítio num estado de temperatura e pressão adequado para que ocorram as fusões durante o intervalo de tempo necessário para produzir uma quantidade de energia maior do que aquela consumida.
No confinamento magnético, o plasma é comprimido adiabaticamente pelo rápido aumento da intensidade do campo magnético e, com isso, aumenta a sua temperatura até que aconteçam as fusões. No confinamento inercial, feixes muito intensos de raio laser aquecem e comprimem minúsculas cápsulas com um plasma de deutério e trítio até que ele atinja um estado de temperatura e pressão adequado para que ocorram as fusões.
As temperaturas no interior do Sol e de outras estrelas são maiores do que 107 oC. Então, nesses ambientes ocorrem reações termonucleares. Ao lado estão representados os estágios do ciclo do carbono, que se supõe ser o processo que produz a maior parte da energia que o Sol continuamente irradia para o espaço. O carbono 12 consumido no estágio 1 reaparece como produto no estágio 6, ou seja, o ciclo do carbono não faz diminuir a quantidade de carbono 12 do interior do Sol. Por outro lado, o hidrogênio 1, ou seja, os prótons, consumidos nos estágios 1, 3, 4 e 6, nunca mais reaparece como produto.
O produto final do ciclo é o hélio 4 e a reação efetiva que se desenvolve no ciclo do carbono é a seguinte:
A reação é de fusão de 4 núcleos de hidrogênio 1 (4 prótons) para resultar em um núcleo de hélio 4. A energia total gerada nessa reação é de cerca de 25 MeV.
Com o passar do tempo, o conteúdo de hidrogênio do Sol diminui e cresce o conteúdo de hélio.
Fissão nuclear é o processo pelo qual um núcleo de número de massa grande se divide em dois fragmentos de números de massa comparáveis. Os núcleos com número de massa grande estão sujeitos à fissão espontânea com uma probabilidade muito pequena e sujeitos à fissão induzida artificialmente com uma probabilidade bem maior. Pode-se induzir a fissão de um núcleo excitando-o com uma energia de pelo menos 4 a 6 MeV ou bombardeando-o com nêutrons, desde que um desses nêutrons seja capturado e que a soma da sua energia cinética com a sua energia de ligação ao núcleo seja maior do que o limiar de energia para a fissão. Por exemplo, um núcleo de urânio 235 pode sofrer fissão ao capturar um nêutron mesmo que ele tenha uma energia cinética muito baixa, da ordem de 0,025 eV (nêutron lento ou térmico), e um núcleo de urânio 238 pode sofrer fissão ao capturar um nêutron desde que ele tenha uma energia cinética grande, da ordem de 1 MeV (nêutron rápido). Essa diferença se deve à energia de pareamento. O núcleo do urânio 235 tem um número de prótons par e um número de nêutrons ímpar. O emparelhamento do nêutron capturado com o nêutron ímpar do núcleo libera uma energia adicional de cerca de 0,57 MeV. O núcleo do urânio 238 tem número par de prótons e de nêutrons, de modo que o nêutron capturado não pode se emparelhar e, então, não existe energia de emparelhamento a ser liberada.
Outro exemplo de fissão acontece quando um próton com uma energia cinética de 0,15 MeV penetra e é absorvido por um núcleo de lítio 7:
Por exemplo, um núcleo de urânio 235 pode sofrer fissão ao capturar um nêutron, mesmo que ele tenha uma energia cinética muito baixa, da ordem de 0,025 eV (nêutron lento ou térmico), e um núcleo de urânio 238 pode sofrer fissão ao capturar um nêutron desde que ele tenha uma energia cinética grande, da ordem de 1 MeV (nêutron rápido). Essa diferença se deve à energia de pareamento.
O núcleo do urânio 235 tem um número de prótons par e um número de nêutrons ímpar. O emparelhamento do nêutron capturado com o nêutron ímpar do núcleo libera uma energia adicional de cerca de 0,57 MeV.
O núcleo do urânio 238 tem número par de prótons e de nêutrons, de modo que o nêutron capturado não pode se emparelhar e, então, não existe energia de emparelhamento a ser liberada.
Outro exemplo de fissão acontece quando um próton com uma energia cinética de 0,15 MeV penetra e é absorvido por um núcleo de lítio 7:
O núcleo composto formado contém 8 núcleons, 4 nêutrons e 4 prótons, e, sendo instável, quase imediatamente se separa em dois fragmentos (partículas a), cada um com 2 nêutrons e 2 prótons e uma energia cinética de 8,5 MeV.
A energia cinética dos fragmentos da fissão é muito maior do que a energia cinética da partícula que iniciou o processo.
Aqui cabe a seguinte observação. A fissão do lítio 7 parece contradizer a regra que diz que a fissão nuclear com liberação de energia só ocorre se o número de núcleons dos núcleos resultantes é maior ou da ordem de 56, já que a curva E / A contra A tem máximo em A 56.
Contudo, com um exame detalhado do gráfico E / A contra A pode-se perceber que o ponto correspondente ao núcleo de lítio 7 está à direita de um ponto de máximo local, que corresponde ao núcleo de hélio 4, e a fissão do núcleo de lítio 7 origina dois núcleos de hélio 4.
O processo de fissão pode ser entendido do seguinte modo. O núcleo original e o nêutron absorvido formam o núcleo composto, que já nasce num estado excitado e com a energia de excitação colocada em modos coletivos de vibração.
Se a energia de excitação é suficientemente grande, numa dessas vibrações coletivas, o núcleo composto pode assumir uma forma com dois blocos de núcleons separados por uma estreita ponte.
E se, entre esses blocos, a repulsão coulombiana de longo alcance entre os prótons for mais importante do que a interação nuclear atrativa de curto alcance, o núcleo composto se fragmenta.
Se a energia de excitação é baixa, as vibrações coletivas do núcleo composto não o levam a uma forma muito diferente da sua forma quando no estado fundamental e, eventualmente, a energia de excitação é liberada com a emissão de radiação g.
O núcleo composto vai, então, ao seu estado fundamental e o processo como um todo não passou de uma captura radioativa de um nêutron e pode ser representado por:
A captura de um nêutron lento pelo urânio 238 desencadeia o seguinte processo:
ou seja, a captura de um nêutron lento pelo urânio 238 resulta em um núcleo radioativo de netúnio 239 que, por sua vez, decai num núcleo radioativo de plutônio 239.
Esse processo é o responsável, em certos reatores nucleares, pela produção de grandes quantidades de plutônio.
O núcleo de plutônio 239 é outro exemplo de núcleo que sofre fissão com a captura de um nêutron lento.
Como um núcleo composto pode decair por qualquer processo que não viole os princípios de conservação, o urânio 235, por exemplo, pode sofrer vários tipos de fissões:
Entre os produtos dessas fissões incluem-se fótons g. A energia cinética total dos produtos é sempre da ordem de 200 MeV.
A meia-vida é a quantidade de tempo característica de um decaimento exponencial. Se a quantidade que decai possui um valor no início do processo, na meia-vida a quantidade terá metade deste valor.
Nos processos radioativos meia-vida ou período de semidesintegração de um radioisótopo é o tempo necessário para desintegrar a metade da massa deste isótopo, que pode ocorrer em segundos ou em bilhões de anos, dependendo do grau de instabilidade do radioisótopo.
No caso do carbono-14 a meia-vida é de 5.600 anos, ou seja, este é o tempo necessário para uma determinada massa deste isótopo instável decair para a metade da sua massa , transformando-se em nitrogênio-14 pela emissão de uma partícula beta. Esta medida da meia-vida é utilizada para a datação de fósseis.
Os elementos transurânicos ( elementos com número atômico acima de 92 ) apresentam meias-vida de 1 segundo enquanto o urânio-238 apresenta meia-vida de aproximadamente 5.000.000.000 anos que é a idade prevista da terra.
Não confundir com vida-média de um radioisótopo, que é o tempo médio que um átomo de um radioisótopo leva para decair ou desintegrar.
