As reações nucleares são processos nos quais os núcleos dos átomos sofrem alterações e produzem novos elementos ou isótopos. Um dos tipos mais importantes de reações nucleares é a **fusão nuclear**, que é o processo de combinação de dois núcleos mais leves para formar um mais pesado, liberando uma grande quantidade de energia no processo. A fusão nuclear é a fonte de energia para as estrelas, incluindo o nosso Sol.
No entanto, a fusão nuclear não é fácil de alcançar na Terra, pois requer temperaturas e pressões muito altas para superar as forças repulsivas entre as cargas carregadas positivamente núcleos. Um dos desafios da pesquisa de fusão nuclear é encontrar maneiras de controlar e sustentar a reação de fusão por tempo suficiente para extrair dela energia útil.
Uma das possíveis reações de fusão nuclear que os cientistas estão estudando é o seguinte:
$$2D + 3T \rightarrow 4He + n + 17,6 MeV$$
Nesta reação, dois isótopos de hidrogênio, deutério (D) e trítio (T) , fundem-se para formar um isótopo de hélio (He) e um nêutron (n), liberando 17,6 milhões de elétron-volts (MeV) de energia por reação. O deutério e o trítio são radioativos, mas são relativamente abundantes e podem ser extraídos da água e do lítio, respectivamente.
Como medir a taxa de uma reação de fusão nuclear?
A taxa de uma reação de fusão nuclear é uma medida de quão rápido a reação está ocorrendo, ou quantos eventos de fusão estão acontecendo por unidade de tempo. A taxa de uma reação de fusão nuclear depende de vários fatores, como:
– A temperatura e pressão dos núcleos reativos
– A concentração e densidade dos núcleos reativos
– A seção transversal ou probabilidade da reação
– A presença de quaisquer catalisadores ou inibidores que afetam a reação
Uma maneira de medir a taxa de uma fusão nuclear reação é monitorar as mudanças nas concentrações ou quantidades dos reagentes e produtos ao longo do tempo. Por exemplo, na reação acima, podemos medir a rapidez com que o deutério e o trítio estão desaparecendo, ou com que rapidez o hélio e o nêutron estão aparecendo.
No entanto, como diferentes reagentes e produtos têm diferentes coeficientes estequiométricos na equação balanceada , precisamos considerá-los ao comparar suas taxas. Por exemplo, para cada dois átomos de deutério que desaparecem, um átomo de hélio aparece. Portanto, precisamos dividir a taxa de desaparecimento do deutério por dois para obter a mesma taxa de aparecimento do hélio.
Em geral, podemos escrever a seguinte fórmula para relacionar as taxas de diferentes espécies em uma reação de fusão nuclear:
$$\frac{d[A]}{dt}=-\frac{a}{A}\frac{d[B]}{dt}=-\ frac{a}{B}\frac{d[C]}{dt}=\frac{a}{C}\frac{d[D]}{dt}$$
Onde [A ], [B], [C] e [D] são as concentrações ou quantidades dos reagentes e produtos, respectivamente, a, b, c e d são seus coeficientes estequiométricos na equação balanceada, respectivamente, e d/dt denota a taxa de variação em relação ao tempo.
Como a taxa de aparecimento de NO está relacionada à taxa de desaparecimento de O2?
Para responder a esta pergunta, vamos considerar outra reação de fusão nuclear que envolve nitrogênio (N) e oxigênio (O) como reagentes e produtos:
$$14N + 2D \rightarrow 15O + p + 3,5 MeV$$
$$15 O \rightarrow 15N + e^+ + \nu_e + 1,7 MeV$$
$$15N + D \rightarrow 12C + 4He + 4,96 MeV$$
Nesta reação, o nitrogênio-14 (14N) e deutério (D) se fundem para formar oxigênio-15 (15O) e um próton (p), liberando 3,5 MeV de energia por reação. O oxigênio-15 então decai para nitrogênio-15 (15N), um pósitron (e+) e um neutrino (\nu_e), liberando 1,7 MeV de energia por decaimento. O nitrogênio-15 então se funde com outro átomo de deutério para formar carbono-12 (12C) e hélio-4 (4He), liberando 4,96 MeV de energia por reação.
Essa reação também é conhecida como **o carbono-ciclo nitrogênio-oxigênio** ou **o ciclo CNO**, que é uma das principais fontes de energia para estrelas mais pesadas que o nosso Sol.
Relacionar a taxa de aparecimento de NO (óxido nítrico ) para a taxa de desaparecimento de O2 (gás oxigênio), precisamos considerar duas etapas:
1. A formação de NO a partir de átomos de N e O
2. O consumo de O2 pelo NO
A formação do NO a partir dos átomos de N e O pode ser representada pela seguinte equação:
$$N + O \rightarrow NO + 6.4 eV$$
Onde 6,4 eV é a energia liberada por reação.
O consumo de O2 pelo NO pode ser representado pela seguinte equação:
$$2NO + O2 \rightarrow 2NO2 + 114 kJ$$
Onde 114 kJ é a energia liberada por reação.
Usando a fórmula para relacionar as taxas de diferentes espécies em uma reação de fusão nuclear, podemos escreva as seguintes equações para essas duas etapas:
$$\frac{d[N]}{dt}=-\frac{d[O]}{dt}=-\frac{d[NO ]}{dt}$$
$$\frac{d[O_2]}{dt}=-\frac{1}{2}\frac{d[NO]}{dt}=-\frac{1}{2}\frac{d[NO_2]}{dt}$$
Combinando essas duas equações, podemos obter a seguinte relação entre a taxa de aparecimento de NO e a taxa de desaparecimento de O2:
$$\frac{d[NO]}{dt}=-\frac{1}{4}\frac{d[O_2]}{dt}$$
Isso significa que para cada quatro moléculas de NO que aparecem, uma molécula de O2 desaparece.
Conclusão
Neste artigo, explicamos como medir a taxa de uma reação de fusão nuclear monitorando as mudanças nas concentrações ou quantidades dos reagentes e produtos ao longo do tempo. Também mostramos como relacionar as taxas de diferentes espécies em uma reação de fusão nuclear usando seus coeficientes estequiométricos na equação balanceada. Por fim, aplicamos esses conceitos para responder à pergunta: como a taxa de aparecimento do NO está relacionada à taxa de desaparecimento do O2? Descobrimos que para cada quatro moléculas de NO que aparecem, uma molécula de O2 desaparece.
Esperamos que este artigo tenha sido útil e informativo para você. Se você tiver quaisquer perguntas ou comentários, sinta-se à vontade para compartilhá-los conosco. Obrigado por ler!
