Exercícios sobre fusão nuclear (questões com gabarito)
A Fusão Nuclear é a junção de átomos que têm núcleos leves, resultando na formação de um átomo com núcleo mais pesado e na liberação de uma grande quantidade de energia.
Reações de fusão nuclear ocorrem no interior das estrelas e do nosso Sol, e liberam cerca de 3.108 kJ/g.
Resolva as questões abaixo e teste seus conhecimentos sobre a fusão nuclear.
Questão 1
Em uma aula de revisão sobre fontes de energia, o professor apresenta o conceito de "energia das estrelas".
Ele explica que, ao contrário das usinas nucleares atuais que "quebram" núcleos de Urânio, as estrelas "unem" núcleos de elementos leves.
O processo nuclear que ocorre no interior do Sol, onde núcleos de hidrogênio se combinam para formar núcleos de hélio com liberação de enormes quantidades de energia, é denominado:
a) fissão nuclear.
b) decaimento alfa.
c) fusão nuclear.
d) sublimação atômica.
Resposta correta: alternativa c) fusão nuclear.
A fusão nuclear consiste na união de dois ou mais núcleos atômicos leves (como o Hidrogênio) para formar um núcleo mais pesado (como o Hélio).
Esse processo é a fonte de energia das estrelas e libera muito mais energia do que a fissão (divisão de núcleos pesados).
Questão 2
A famosa equação de Albert Einstein, E=mc2, revolucionou a física moderna ao estabelecer uma equivalência entre massa e energia.
No contexto da fusão nuclear, essa fórmula explica a origem da energia térmica produzida.
Ao realizar a fusão de núcleos leves, observa-se que a massa do núcleo resultante é ligeiramente inferior à soma das massas dos núcleos reagentes.
De acordo com a relação E=mc2, essa "massa perdida" (defeito de massa):
a) desaparece completamente do universo, violando as leis da física.
b) transforma-se integralmente em energia térmica e radiante.
c) transforma-se em prótons adicionais para equilibrar a carga.
d) é convertida em energia potencial gravitacional no núcleo.
Resposta correta: alternativa b) transforma-se integralmente em energia térmica e radiante.
A diferença de massa entre os reagentes e os produtos na fusão nuclear é chamada de "defeito de massa".
Essa massa não "some", mas é convertida em energia seguindo a constante c2 (velocidade da luz ao quadrado), o que explica a magnitude da energia liberada.
Questão 3
Para que a fusão nuclear ocorra, é necessário vencer a repulsão eletrostática entre os prótons dos núcleos que desejam se unir.
Na Terra, cientistas tentam replicar esse processo para gerar energia limpa.
Por que são necessárias temperaturas da ordem de milhões de graus Celsius para que a fusão nuclear ocorra em reatores de pesquisa?
a) Para reduzir a velocidade dos núcleos, permitindo que a gravidade os una.
b) Para transformar os núcleos em elétrons livres, facilitando a colisão.
c) Para que os núcleos adquiram energia cinética suficiente para vencer a barreira de repulsão elétrica (Barreira de Coulomb).
d) Para diminuir a densidade do combustível, evitando explosões descontroladas.
Resposta correta: alternativa c) Para que os núcleos adquiram energia cinética suficiente para vencer a barreira de repulsão elétrica (Barreira de Coulomb).
Prótons têm carga positiva e se repelem.
Para que eles cheguem perto o suficiente para que a Força Nuclear Forte (que tem curto alcance) os una, eles precisam colidir em velocidades altíssimas, o que só é alcançado com temperaturas extremas (plasma).
Questão 4
O projeto ITER (em inglês, Reator Experimental Termonuclear Internacional) é um dos maiores esforços científicos da humanidade.
Ele busca demonstrar a viabilidade da fusão nuclear controlada utilizando os isótopos de Hidrogênio: Deutério (2H) e Trítio (3H).
A reação entre Deutério e Trítio produz um núcleo de Hélio (4He) e uma partícula subatômica de alta energia.
De acordo com as leis de conservação de massa e carga, essa partícula é um:
a) próton.
b) elétron.
c) pósitron.
d) nêutron.
Resposta correta: alternativa d) nêutron.
Somando as massas dos reagentes:
2 (Deutério) + 3 (Trítio) = 5
O produto Hélio tem massa 4.
Portanto, resta 1 unidade de massa.
Como o Deutério tem 1 próton e o Trítio tem 1 próton (total 2), e o Hélio já possui 2 prótons, a partícula restante deve ter carga zero e massa 1, ou seja, deve ser um nêutron (1n).
Questão 5
Frequentemente se discute a "limpeza" da energia de fusão em comparação com a fissão nuclear utilizada nas usinas atuais (como Angra I e II).
Uma das principais vantagens ambientais da fusão nuclear controlada em relação à fissão nuclear de Urânio é:
a) a fusão não produz nenhum tipo de radiação em nenhuma etapa.
b) o combustível para a fusão (isótopos de hidrogênio) é abundante na água do mar, e os resíduos não são lixos radioativos de longa vida.
c) a fusão nuclear não libera calor para o ambiente, evitando o aquecimento global.
d) o processo de fusão é espontâneo e não exige gasto de energia para ser iniciado.
Resposta correta: alternativa b) o combustível para a fusão (isótopos de hidrogênio) é abundante na água do mar, e os resíduos não são lixos radioativos de longa vida.
A fusão usa Deutério (abundante na água) e Trítio (produzido a partir do Lítio).
O principal resíduo é o Hélio (gás inerte).
Embora a estrutura do reator possa se tornar radioativa pela ativação neutrônica, não há produção de elementos transurânicos de longa vida (como o Plutônio, por exemplo), típicos da fissão nuclear.
Questão 6
Considere o Sol como um reator de fusão natural.
A cada segundo, o Sol converte cerca de 600 milhões de toneladas de Hidrogênio em 596 milhões de toneladas de Hélio.
Com base nessas informações e na física da fusão, pode-se afirmar que:
a) o Sol está ganhando massa para manter sua gravidade.
b) os 4 milhões de toneladas de massa "perdidos" por segundo são convertidos em energia radiante.
c) o Sol deixará de existir em poucos anos, pois a perda de massa é muito rápida.
d) a temperatura do Sol diminui à medida que o Hidrogênio acaba.
Resposta correta: alternativa b) os 4 milhões de toneladas de massa "perdidos" por segundo são convertidos em energia radiante.
A diferença entre 600 e 596 (4 milhões de toneladas = 4.109 kg) é o defeito de massa.
Multiplicando essa massa por c2 (3 . 108 m/s ao quadrado), obtém-se a potência colossal do Sol:
Esol = 4.109.(3.108)2 = 4.9.10(9+16) = 36.1025 = 3,6.1026 W
Questão 7
Para manter o plasma (gás de núcleos ionizados) confinado e estável a milhões de graus sem que ele toque as paredes do reator e derreta o equipamento, cientistas utilizam campos magnéticos em dispositivos chamados Tokamaks.
Sobre o confinamento magnético na fusão controlada, analise as proposições e escolha a correta:
a) O campo magnético serve para esfriar o plasma rapidamente antes que ele toque as paredes.
b) Os núcleos de hidrogênio, por serem neutros, são facilmente direcionados pelo campo magnético.
c) O campo magnético exerce forças sobre as partículas carregadas do plasma, mantendo-as em trajetórias helicoidais longe das paredes.
d) A única função do campo magnético é acelerar os elétrons para que eles realizem a fissão do hélio.
Resposta correta: alternativa c) O campo magnético exerce forças sobre as partículas carregadas do plasma, mantendo-as em trajetórias helicoidais longe das paredes.
No estado de plasma, os elétrons e núcleos estão separados.
Partículas carregadas em movimento sofrem a ação da Força de Lorentz em campos magnéticos.
Isso permite "aprisionar" o plasma em um formato de "rosquinha" (toroide) sem contato físico com o recipiente.
Questão 8
A análise termodinâmica e nuclear da fusão revela que ela é mais eficiente que a fissão.
Enquanto a fissão de 1kg de Urânio libera muita energia, a fusão de 1kg de isótopos de Hidrogênio libera cerca de 4 vezes mais.
Do ponto de vista da física nuclear e da estabilidade dos núcleos, por que a fusão de núcleos leves libera energia, enquanto a fusão de núcleos muito pesados (como o Ferro ou Chumbo) exigiria energia para ocorrer?
a) Porque núcleos pesados têm menos prótons que núcleos leves.
b) Devido à curva de energia de ligação por núcleon, onde elementos leves ganham estabilidade ao se unirem, e elementos muito pesados ganham estabilidade ao se dividirem.
c) Porque o c2 na equação de Einstein tem valor diferente para elementos pesados.
d) Porque a gravidade dentro do núcleo de átomos leves é maior que a força nuclear forte.
Resposta correta: alternativa b) Devido à curva de energia de ligação por núcleon, onde elementos leves ganham estabilidade ao se unirem, e elementos muito pesados ganham estabilidade ao se dividirem.
Existe uma curva de estabilidade nuclear (Energia de Ligação por Núcleon).
O Ferro-56 é um dos núcleos mais estáveis.
Elementos mais leves que o ferro liberam energia ao realizar fusão (tornando-se mais estáveis/mais pesados).
Elementos mais pesados que o ferro liberam energia ao realizar fissão (tornando-se mais estáveis/mais leves).
Unir núcleos mais pesados que o ferro é um processo endotérmico que consome energia.
Veja também: Exercícios sobre fissão nuclear (com resolução detalhada)
SOUTO, Ana. Exercícios sobre fusão nuclear (questões com gabarito). Toda Matéria, [s.d.]. Disponível em: https://www.todamateria.com.br/exercicios-sobre-fusao-nuclear-questoes-com-gabarito/. Acesso em:
