Exercícios sobre fissão e fusão nuclear
Esta lista apresenta exercícios sobre fissão e fusão nuclear, reações que ocorrem com núcleos atômicos, resultando na emissão de fótons altamente energéticos.
Publicado por: Thiago Tavares da CostaQuestões
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Questão 1
Um programa de educação ambiental consiste em levar estudantes de ensino médio para visitar uma usina de fissão nuclear. Durante a visita, um painel explicativo apresenta o seguinte texto:
“Em cada fissão de um núcleo de urânio-235, dentro de um reator, parte da massa inicial é convertida em energia segundo E = mc2.”
Qual afirmação, a seguir, descreve corretamente o processo de fissão nuclear?
a) O núcleo de urânio-235, ao sofrer impacto de um nêutron, divide-se em outros dois elementos químicos com menor número de massa, produzindo energia.
b) O núcleo de urânio-235, ao sofrer impacto de um nêutron, divide-se em frações menores de urânio com menor massa, produzindo energia.
c) O núcleo de urânio-235, ao sofrer impacto de um nêutron, absorve outros núcleos de urânio-235, produzindo energia.
d) O núcleo de urânio-235, ao sofrer impacto de um nêutron, colapsa completamente, produzindo energia.
Alternativa [A].
O processo de fissão nuclear consiste na divisão nuclear por meio de uma interação externa que desfaça a estabilidade das forças nucleares. Após a fissão, cada parte restante é um novo elemento químico, a depender do número de prótons em cada núcleo.
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Questão 2
Em uma aula de astronomia, um estudante questiona ao palestrante sobre como a energia do Sol mantém a Terra aquecida e com vida. O palestrante, corretamente, responde que:
a) dadas as condições elevadas de temperatura e pressão, os átomos de hidrogênio são destruídos e assim liberam energia.
b) dadas as condições elevadas de temperatura e pressão, os átomos de hidrogênio sofrem um processo de fusão, criando átomos de hélio e liberando energia.
c) dadas as condições elevadas de temperatura e pressão, os átomos de hidrogênio são expulsos do Sol em alta velocidade.
d) dadas as condições elevadas de temperatura e pressão, os átomos de hidrogênio são absorvidos pelo Sol.
Alternativa: [B].
O processo de fissão nuclear consiste na união de núcleos de outros elementos, formando novos elementos químicos. A energia de ligação excedente é liberada. No caso do Sol, os átomos de hidrogênio formam átomos de hélio.
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Questão 3
Um texto de divulgação científica é apresentado aos estudantes com duas informações:
“Usinas de fissão nuclear necessitam de um controle rigoroso do processo de reação em cadeia e descarte de produtos radioativos.”
“Usinas de fusão nuclear produzem menos rejeitos radioativos de longa vida.”
Perguntando sobre a comparação entre os processos, a afirmativa correta seria:
a) que a fusão só produz nêutrons que não provocam radioatividade.
b) que a fusão produz elementos mais pesados e instáveis, enquanto a fissão produz muitos nêutrons que interagem com a matéria.
c) que a fissão só produz radiação alfa, mais contida, e a fusão gera radiação gama, mais perigosa.
d) que motores de fissão não utilizam combustível nuclear radioativo.
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Questão 4
Em uma palestra de segurança do trabalho para usinas nucleares, discutiu-se muito sobre a importância de manter reações de fissão nuclear em um regime controlado. Considere que, em um reator térmico, reduz-se a velocidade dos nêutrons para aumentar a probabilidade da fissão do urânio-235. Qual a vantagem técnica nesse procedimento?
a) Nêutrons muito rápidos escapam do motor do reator.
b) Nêutrons mais lentos transmitem menos energia cinética, produzindo menos energia nuclear.
c) Nêutrons mais lentos têm maior seção de choque, permitindo reações mais controladas.
d) Nêutrons mais lentos interagem com menos átomos de Urânio.
Alternativa: [C].
Nêutrons lentos apresentam seção de choque (possibilidade de contato) maior em relação a nêutrons mais rápidos, facilitando reações nucleares mais controladas. Isso permite manter a cadeia de fissão sem exigir uma grande quantidade concentração de combustível.
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Questão 5
Em um experimento virtual para uma feira de ciências, um grupo de estudantes demonstra que a energia liberada em reações nucleares é muito maior que em reações químicas. Para ilustrar, o grupo comparou a energia liberada pela fissão de 1 g de urânio-235 com a energia liberada pela combustão de 1 g de gasolina. Qual explicação conceitual descreve corretamente a diferença na ordem de grandeza das energias liberadas?
a) A fissão é um processo que ocorre de forma mais gradativa e residual, ao contrário da combustão, que logo se cessa.
b) A fissão libera energia dos elétrons, além da energia nuclear.
c) A massa de um átomo de urânio é muito maior que as moléculas da gasolina.
d) Existe uma diferença na ordem de grandeza das forças nucleares em comparação com as ligações químicas.
Alternativa: [D].
A energia da ligação química se encontra na ordem do eV por ligação, ao passo que a energia de ligação nuclear está na faixa do MeV, ou seja, milhões de vezes maior.
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Questão 6
Em uma reportagem sobre geração de energia, cita-se que, mesmo em reatores de fissão de usinas de alta demanda, apenas uma pequena fração do combustível se fissiona antes de ser descartado. Considerando os aspectos conceituais da criticidade e uso do combustível, qual o motivo de não se fissionar o conteúdo do reator?
a) A fissão do material completa exige uma temperatura muito grande.
b) Conforme a reação em cadeia ocorre, a quantidade menor de combustível diminui a possibilidade de a reação continuar.
c) Se toda a fissão ocorrer rapidamente, a energia produzida poderia sobrecarregar a contenção do reator.
d) O reator só pode funcionar com quantidades menores de combustível.
Alternativa: [C].
A fissão de todo o combustível pode levar a uma reação em cadeia descontrolada, produzindo uma quantidade crítica de energia incapaz de ser contida no reator.
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Questão 7
Em uma aula de ciências, explica-se que a fusão controlada em reatores atômicos ainda não é uma realidade comercial para implementar de forma extensa, embora no Sol o processo ocorra de forma espontânea e contínua. Quais as principais barreiras, descritas em sala, que dificultam a implementação da fissão nuclear?
a) Existem poucos átomos de hidrogênio disponíveis na atmosfera terrestre.
b) A fusão exige condições extremas de temperatura e pressão para superar a repulsão elétrica dos núcleos de hidrogênio.
c) A fusão exige materiais radioativos raros.
d) A energia produzida na fusão não pode ser transformada em energia elétrica.
Alternativa: [B].
A fusão controlada exige ambientes com pressão e temperatura muito elevadas, possibilitando que núcleos mais leves possam se fundir e vencer a barreira da força elétrica repulsiva.
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Questão 8
Em uma conversa informal, surgiu um assunto sobre os armamentos nucleares usados na Segunda Guerra Mundial. Dois amigos discutiram, de forma efusiva, sobre a tecnologia usada nos reatores da bomba que caiu em duas cidades no Japão. O amigo que opinou de forma correta
a) foi aquele que descreveu o reator como de fissão, capaz de unir núcleos de urânio.
b) foi aquele que descreveu o reator como de fissão, capaz de separar núcleos de urânio.
c) foi aquele que descreveu o reator como de fusão, capaz de separar núcleos de urânio.
d) foi aquele que descreveu o reator como de fusão, capaz de unir núcleos de urânio.
Alternativa: [B].
As bombas usadas na Segunda Guerra Mundial foram bombas com gatilhos de fissão, tecnologia desenvolvida pelo Projeto Manhattan, cujo gatilho aciona um processo em cadeia.
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Questão 9
(FMSCSP 2022) A geração de energia no interior do Sol se dá por meio de fusões nucleares. O processo consiste basicamente na fusão de 4 núcleos de hidrogênio para formar 1 núcleo de hélio, sendo que a massa do núcleo produzido é menor que a soma das massas dos núcleos iniciais. Essa diminuta diferença de massa, 4,7×10-29 kg, é convertida em energia de acordo com a expressão proposta por Einstein: E = m · c2, sendo E a energia gerada, m a diferença de massa e c a velocidade da luz no vácuo (3×108 m/s).
Sabendo-se que o Sol produz energia na razão de 3,9×1026 J/s e considerando que toda energia seja gerada pelo processo de fusão de núcleos de hidrogênio em núcleos de hélio, a ordem de grandeza do número dessas fusões que ocorrem no interior do Sol a cada segundo é:
a) 1045.
b) 1032.
c) 1018.
d) 1038.
e) 1024.
Alternativa: [D]
A energia liberada (E1) em cada reação é:
\(E_1 = mc^2\\ 4,7 \times 10^{-29} \times (3 \times 10^8)^2\\ E_1 = 4,7 \times 10^{-29} \times 9 \times 10^{16}\\ E_1 = 42 \times 10^{-13}\)
Sendo N o número de fusões, vem:
\(E=NE_1\\ N=\frac{E}{E_1}\\ N=\frac{3,9\times 10^{26}}{4,2\times 10^{-12}}\\ N=0,9\times 10^{38}\\ N= 9\times 10^{37}\\\)
\(OG= 10^{38}s^{-1}\)
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Questão 10
(FGV 2020) De acordo com a teoria da relatividade de Einstein, a conversão de massa em energia é regida pela expressão E = m ⋅ c2, sendo c a velocidade da luz no vácuo, que é igual a 3×108 m/s. No interior do Sol, ocorrem fusões nas quais quatro átomos de hidrogênio se unem para formar um átomo de hélio. A massa dos quatro átomos de hidrogênio é ligeiramente maior que a de um átomo de hélio, e essa diferença, que é de aproximadamente 5,0 × 10-29 kg, é convertida em energia.
Sabe-se que a energia produzida no interior do Sol, a cada segundo, é cerca de 3,6 × 1028 J. Portanto, a quantidade de prótons que se fundem no interior do Sol, a cada segundo, é
a) 1,6 × 1020.
b) 4,8 × 1032.
c) 3,2 × 1040.
d) 7,2 × 1056.
e) 2,2 × 1065.
Alternativa: [C]
Energia gerada pela fusão dos átomos de hélio:
\(E=mc^2\\ E=5\cdot 10^{-29}\cdot (3\cdot 10^8)^2\\ E=4,5\cdot 10^-{12} J\)
Logo, o número N de prótons que se fundem no interior do Sol, a cada segundo, é de:
\(N=\frac{4\cdot 3,6\cdot 10^{28}}{4,5\cdot 10^{-12}}\\ \therefore N=3,2\cdot 10^{40}\)
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Questão 11
(UFU 2020) Os primeiros elementos produzidos após o Big Bang pela expansão do Universo foram hidrogênio e hélio. As estrelas se formaram desse material primordial e usaram esses dois elementos como combustível para gerar energia através de reações nucleares. Durante essa etapa, as estrelas brilham e produzem os elementos químicos de maior número atômico, principalmente carbono, oxigênio, cálcio e ferro, que são os principais elementos que nos formam e formam também o mundo ao nosso redor. Esses elementos são levados para a superfície das estrelas por convecção ou difusão radiativa, a partir da qual são dispersados por vento estelar ou ejetados para o meio interestelar quando uma estrela massiva explode. Esse material é, então, usado na formação de novas estrelas e de seus planetas.
Disponível em http://astro.if.ufrgs.br/estrelas/node14.htm. Acesso em: 14 fev. 2020. (Adaptado)
Considerando-se as teorias de evolução das estrelas e do universo e o texto acima, é correto afirmar que:
a) a teoria do Big Bang afirma que a expansão do universo tem origem em um ponto no centro de nossa galáxia.
b) o movimento de convecção é caracterizado pela troca de energia por meio da irradiação.
c) as reações que produzem energia nas estrelas são uma forma de fissão nuclear.
d) o material remanescente de estrelas massivas que explodem pode originar buracos negros.
Alternativa: [D].
Não há nenhuma afirmação no texto que nos permita dizer que a explosão que deu origem ao Universo, chamada de Big Bang, tenha se originado no centro de nossa galáxia. A convecção é caracterizada pela troca de energia por meio da condução, e não da irradiação. A energia não é produzida, mas apenas transformada em outra forma, porém o que ocorre nas estrelas se dá pelo processo de fusão nuclear. Assim, a única alternativa para a questão é a [D], devido às falhas conceituais nas alternativas anteriores; porém, apenas com o texto, não seria possível deduzir essa resposta sem leituras mais avançadas acerca da constituição do universo e da formação dos buracos negros.
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Questão 12
(Fuvest 2023) Uma das apostas para a produção de energia limpa, sem emissão de gases de efeito estufa e sem geração de resíduos radioativos, é a fusão nuclear, como a que ocorre nas estrelas. Em laboratório, são utilizados os isótopos de hidrogênio deutério (\(_1^2H\)) e trítio (\(_1^3H\)), que, dentro de um intenso campo magnético, são aquecidos a 150 milhões de graus Celsius. Nessas condições, \(_1^2H\) e \(_1^3H\) fundem-se formando \(_2^4He\) e um outro subproduto, além de liberar uma grande quantidade de energia.
Com base nessas informações, assinale a alternativa que traz as informações corretas sobre qual é o subproduto formado e sobre a variação de entalpia desse processo.
a) Próton; ΔH < 0
b) Próton; ΔH > 0
c) Nêutron; ΔH < 0
d) Nêutron; ΔH > 0
e) Elétron; ΔH < 0
Alternativa: [C].
Resposta do ponto de vista da disciplina de Física:
Identificando o subproduto (X), citado no texto:
\({}_1^2\text{H} + {}_1^3\text{H} \rightarrow{}_2^4\text{H} + {}_z^A\text{X} \Rightarrow \left\langle \begin{array}{l} A + 4 = 3 + 2 \Rightarrow A = 1 \\ Z + 2 = 1 + 1 \Rightarrow Z = 0 \end{array} \right\rangle \Rightarrow {}_0^1\text{X} \)
O subproduto tem número de massa igual a 1 e número atômico igual a zero; esses valores caracterizam um nêutron.
Como ocorre liberação de grande quantidade de energia, a reação é exotérmica: ΔH < 0.
Resposta do ponto de vista da disciplina de Química:
De acordo com o texto, a reação de fusão entre 12H e 13H libera grande quantidade de energia, logo se trata de um processo exotérmico (ΔH<0).
\({}_1^2\text{H} + {}_1^3\text{H} \rightarrow {}_2^4\text{He} + {}_Z^A\text{E} + \text{Energia}\\ 2 + 3 = 4 + A \Rightarrow A = 5 - 4 = 1\\ 1 + 1 = 2 + Z \Rightarrow Z = 2 - 2 = 0\\ {}_Z^A\text{E} \Rightarrow {}_0^1\text{E} \Rightarrow {}_0^1\text{n (nêutron)}\\ \therefore \quad {}_1^2\text{H} + {}_1^3\text{H} \rightarrow {}_2^4\text{He} + {}_0^1\text{n} + \text{Energia} \)