Exercícios sobre fissão nuclear (com resolução detalhada)
Fissão nuclear é o processo de divisão do núcleo atômico instável em outros núcleos mais estáveis.
O processo ocorre em decorrência da incidência do nêutron sobre o núcleo atômico. Ao bombardear o átomo que tem um núcleo fissionável, ele parte-se em dois novos núcleos e libera até 3 nêutrons e grande quantidade de energia.
Os nêutrons liberados podem atingir outros núcleos e originar novos nêutrons. Assim, tem início uma reação em cadeia, ou seja, um processo contínuo que libera uma grande quantidade de energia nuclear.
Resolva as questões abaixo e teste seus conhecimentos sobre a fissão nuclear e seus usos.
Questão 1
Em 1938, Otto Hahn e Fritz Strassmann observaram que, ao bombardear núcleos de Urânio-235 com nêutrons, o núcleo se tornava instável e se partia em dois núcleos menores, liberando uma quantidade significativa de energia.
Esse processo de "quebra" de um núcleo pesado em núcleos mais leves é denominado:
a) fusão nuclear, pois gera novos elementos químicos.
b) decaimento alfa, caracterizado pela emissão de núcleos de hélio.
c) fissão nuclear, acompanhada pela liberação de nêutrons e energia.
d) transmutaçao natural, que ocorre espontaneamente em todos os metais.
Resposta correta: alternativa c) fissão nuclear, acompanhada pela liberação de nêutrons e energia.
A fissão nuclear consiste na divisão de um núcleo pesado e instável (como o U-235) em dois núcleos menores (produtos de fissão), liberando nêutrons extras e uma grande quantidade de energia térmica e radiante.
A questão pergunta exatamente sua definição.
Questão 2
Para iniciar o processo de fissão em um reator nuclear, utiliza-se o bombardeio por nêutrons em vez de prótons ou partículas alfa.
A principal vantagem técnica do uso de nêutrons para atingir o núcleo de Urânio é que:
a) os nêutrons possuem carga positiva, sendo atraídos pelos elétrons do átomo.
b) os nêutrons, por serem eletricamente neutros, não sofrem repulsão eletrostática pelo núcleo.
c) a massa do nêutron é muito maior que a do próton, gerando um impacto mecânico superior.
d) os nêutrons se transformam em pósitrons ao entrar no núcleo, facilitando a quebra.
Resposta correta: alternativa b) os nêutrons, por serem eletricamente neutros, não sofrem repulsão eletrostática pelo núcleo.
Como o núcleo atômico é carregado positivamente, prótons ou partículas alfa seriam repelidos pela força eletrostática (barreira de Coulomb).
O nêutron, por não ter carga, penetra no núcleo com muito mais facilidade.
Questão 3
Uma característica crucial da fissão do Urânio-235 é que cada núcleo partido libera, em média, de 2 a 3 nêutrons.
Se esses nêutrons atingirem outros núcleos vizinhos, o processo se repete exponencialmente.
Esse fenômeno de retroalimentação é conhecido como:
a) equilíbrio termodinâmico.
b) ressonância magnética.
c) efeito fotoelétrico.
d) reação em cadeia.
Resposta correta: alternativa d) reação em cadeia.
A reação em cadeia ocorre quando os produtos de uma reação (nêutrons, no caso da fissão) tornam-se reagentes para as próximas etapas, permitindo que o processo se sustente sozinho.
Questão 4
Nem toda amostra de material físsil sofre uma explosão ou mantém uma reação constante.
Para que uma reação em cadeia se sustente, é necessária uma quantidade mínima de material disposta em uma geometria específica.
O conceito físico que define a menor quantidade de material físsil necessária para manter uma reação em cadeia autossustentada é a:
a) massa atômica.
b) constante de Avogadro.
c) massa crítica.
d) densidade de fluxo.
Resposta correta: alternativa c) massa crítica.
A massa crítica é a quantidade mínima de material necessária para garantir que os nêutrons produzidos pela fissão não escapem para o ambiente antes de atingirem outro núcleo, mantendo a taxa de reações constante.
Questão 5
Embora utilizem o mesmo princípio físico (fissão), um reator de uma usina nuclear e uma bomba atômica operam sob regimes muito diferentes de controle e concentração de combustível.
A principal diferença técnica entre o controle da fissão em uma usina e em uma arma atômica é que:
a) na usina, a reação é controlada por barras que absorvem o excesso de nêutrons; na arma, a reação é divergente e descontrolada.
b) a usina utiliza fusão para gerar energia, enquanto a arma utiliza exclusivamente fissão.
c) em armas atômicas, o Urânio é enriquecido a apenas 3%, enquanto nas usinas o enriquecimento supera 90%.
d) usinas nucleares não produzem resíduos radioativos, ao contrário das explosões atômicas.
Resposta correta: alternativa a) na usina, a reação é controlada por barras que absorvem o excesso de nêutrons; na arma, a reação é divergente e descontrolada.
Em um reator (usina), a reação é mantida em estado "crítico" (1 nêutron de cada fissão gera apenas 1 nova fissão) através de barras de controle (boro ou cádmio).
Em uma arma, a reação é "supercrítica", onde o número de fissões cresce exponencialmente em nanosegundos.
Questão 6
Em reatores nucleares de água pressurizada (PWR), a água exerce um papel duplo: refrigerante (transporta calor) e moderador.
A função do moderador no processo de fissão é:
a) acelerar os nêutrons para que eles atinjam o núcleo com mais energia cinética.
b) absorver todos os nêutrons para interromper a reação em caso de emergência.
c) reduzir a velocidade dos nêutrons rápidos para torná-los "nêutrons térmicos", que são mais eficazes em causar a fissão do U-235.
d) converter os nêutrons em prótons através do decaimento beta inverso.
Resposta correta: alternativa c) reduzir a velocidade dos nêutrons rápidos para torná-los "nêutrons térmicos", que são mais eficazes em causar a fissão do U-235.
Nêutrons liberados na fissão são muito rápidos.
Para o Urânio-235, a probabilidade de captura e fissão é muito maior se o nêutron estiver em velocidades menores (térmicas).
O moderador (água) retira energia cinética dos nêutrons por colisões.
Questão 7
A energia liberada em uma única fissão nuclear de um núcleo de U-235 é de aproximadamente 3,2 . 10−11 J.
Essa energia provém da diferença entre a massa do núcleo original e a soma das massas dos fragmentos gerados.
Considerando a famosa equação de Einstein E = mc2 (onde c ≈ 3 . 108 m/s), essa liberação de energia por núcleo corresponde a uma "perda" de massa de aproximadamente:
a) 3,0 . 10−8 kg
b) 9,6 . 10−14 kg
c) 1,1 . 10−19 kg
d) 3,5 . 10−28 kg
Resposta correta: alternativa d) 3,5 . 10−28 kg
Vamos usar a equação de Einstein, mas isolando a massa:
E = m . c2 ⇒ m = E / c2
m = (3,2 . 10−11) / (3 . 108)2
m = (3,2 . 10−11) / (9 . 1016)
m ≈ 0,355 . 10−27
m ≈ 3,55 . 10−28 kg
Questão 8
O Urânio natural é composto por cerca de 99,3% de U-238 (não físsil por nêutrons térmicos) e apenas 0,7% de U-235 (físsil).
O processo de enriquecimento visa aumentar a proporção de U-235.
Sobre o enriquecimento de Urânio e suas aplicações, analise as afirmações abaixo:
I. O enriquecimento em torno de 3% a 5% é suficiente para a maioria dos reatores de potência mundiais.
II. O enriquecimento acima de 90% caracteriza o Urânio de "grau militar", usado em ogivas.
III. O enriquecimento é um processo puramente químico, baseado na diferença de reatividade entre os isótopos.
Assinale a alternativa correta:
a) apenas I.
b) apenas II.
c) apenas I e II.
d) apenas II e III.
Resposta correta: alternativa c) apenas I e II.
As afirmações I e II descrevem corretamente os níveis de enriquecimento para fins civis e militares.
A afirmação III é falsa porque o enriquecimento é um processo físico (geralmente por ultracentrifugação), pois isótopos do mesmo elemento têm propriedades químicas idênticas, diferindo apenas na massa (propriedade física).
Veja também: Exercícios sobre fusão nuclear (questões com gabarito)
SOUTO, Ana. Exercícios sobre fissão nuclear (com resolução detalhada). Toda Matéria, [s.d.]. Disponível em: https://www.todamateria.com.br/exercicios-sobre-fissao-nuclear-com-resolucao-detalhada/. Acesso em:
