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Fissão e Fusão Nuclear

 

A fusão nuclear e fissão nuclear são dois tipos diferentes de reações de liberação de energia em que a energia é liberada de alta potência ligações atômicas entre as partículas dentro do núcleo.

A principal diferença entre esses dois processos é que a fissão é a divisão de um átomo em dois ou mais menores queridos, enquanto a fusão é a fusão de dois ou mais átomos menores em um maior.

Gráfico Comparação

  Fissão nuclear Fusão Nuclear
Definição A fissão é a divisão de um grande
átomo em dois ou mais menores
A fusão é a fusão de dois ou mais
átomos de isqueiro para um maior
Ocorrência
natural do processo
Reação de fissão não ocorre
normalmente na natureza
A fusão ocorre em estrelas, tais
como o sol
Subprodutos da reação Fissão produz muitas partículas
altamente radioativos
Algumas partículas radioativas são
produzidos por reações de fusão, mas se uma fissão "gatilho" é
utilizado, as partículas radioativas irá resultar disso
Condições São obrigados a massa crítica da
substância e de alta velocidade nêutrons
Extremamente alta energia é necessária
para trazer dois ou mais prótons próximos o
suficiente para que as forças nucleares superar
sua repulsão eletrostática
Exigência de Energia Toma pouca energia para dividir
dois átomos em uma reação de fissão.
Extremamente alta energia é necessária
para trazer dois ou mais prótons próximos o s
uficiente para que as forças nucleares superar sua
repulsão eletrostática
Energia liberada A energia liberada pela fissão é
um milhão de vezes maior que a liberada
em reações químicas, mas menor do que a energia liberada
pela fusão nuclear
A energia liberada pela fusão é de três
a quatro vezes maior do que a energia l
iberada pela fissão
Arma nuclear Uma classe de arma nuclear é uma
bomba de fissão, também conhecida como uma
bomba atômica
Uma classe de arma nuclear é a
bomba de hidrogênio, que utiliza uma reação de
fissão de "disparar" uma reação de fusão
A produção de
energia
A fissão é usado em usinas nucleares A fusão é uma tecnologia
experimental para a produção de energia
Combustível O urânio é o combustível principal
usado em usinas de energia
Isótopos de hidrogênio (deutério e trítio)
são o principal combustível utilizado nas
centrais elétricas de fusão experimental

Fonte: www.diffen.com

Fissão e Fusão Nuclear

A função da energia nuclear é aproveitar o poder dos átomos.

Ambos fissão e fusão nuclear são processos pelos quais os átomos são alterados para criar energia, mas qual é a diferença entre os dois? Simplificando, a fissão é a divisão de um átomo em dois, ea fusão é a combinação de dois átomos mais leves em um maior. Eles são processos opostas, e, por conseguinte, muito diferente.

O que é

A palavra fissão significa "uma divisão ou quebrar em partes". A descoberta surpreendente de que é possível fazer uma fratura no núcleo foi baseado na previsão de Albert Einstein que a massa pode ser transformada em energia.

Em 1939, o cientista começou experimentos, e um ano mais tarde, Enrico Fermi construiu o primeiro reator nuclear.

A fissão nuclear ocorre quando um grande, um pouco instáveis isótopos (átomos com o mesmo número de prótons, mas diferente número de nêutrons) é bombardeada por partículas de alta velocidade, geralmente nêutrons. Estes nêutrons são acelerados e, em seguida, batem no isótopo instável, fazendo-a fissão, ou quebrando em partículas menores.

Durante o processo, um nêutron é acelerado e atinge o núcleo alvo, que na maioria dos reatores nucleares, hoje, é o urânio-235. Isto divide o núcleo alvo e divide-os em dois isótopos mais pequenos (os produtos de fissão), três nêutrons de alta velocidade, e uma grande quantidade de energia.

Essa energia resultante é então usado para aquecer água em reatores nucleares e, finalmente, produz eletricidade. Os elétrons de alta velocidade que são ejetados se tornam projéteis que iniciam outras reações de fissão, ou reações em cadeia.

A palavra fusão significa "uma fusão de elementos distintos em um todo unificado". Fusão nuclear refere-se à "união de núcleos atômicos para formar núcleos mais pesados, resultando na liberação de enormes quantidades de energia". Fusão ocorre quando dois isótopos de baixa massa, tipicamente isótopos de hidrogênio, unem-se em condições de pressão e temperatura extremas.

Fusão é o que alimenta o sol. Os átomos de trítio e deutério (isótopos de hidrogênio, hidrogênio-3 e hidrogênio-2, respectivamente) unir-se sob extrema pressão e temperatura para produzir um nêutron e um isótopo do hélio. Junto com isso, uma enorme quantidade de energia é liberada, que é várias vezes a quantidade produzida a partir de fissão.

Fissão e Fusão Nuclear
Fusão

Os cientistas continuam a trabalhar em controlar a fusão nuclear, em um esforço para fazer um reator de fusão para produzir eletricidade.

Alguns cientistas acreditam que há oportunidades com tal fonte de energia desde a fusão cria menos material radioativo do que a fissão e tem um suprimento de combustível quase ilimitado. No entanto, o progresso é lento devido a desafios com a compreensão de como controlar a reação em um espaço contido.

Ambos fissão e fusão são reações nucleares que produzem energia, mas as aplicações não são as mesmas. A fissão é a divisão de um pesado, núcleo instável em dois núcleos mais leves, e de fusão é o processo em que dois núcleos leves se combinam liberando grandes quantidades de energia.

Cisão é utilizado em reactores de potência nucleares, uma vez que pode ser controlada, ao passo que a fusão não é utilizado para a produção de energia uma vez que a reação não é facilmente controlada e é caro, para criar as condições necessárias para uma reação de fusão. A pesquisa continua em formas de melhor aproveitar o poder da fusão, mas a pesquisa está em fase experimental. Embora diferentes, os dois processos têm um papel importante no passado, presente e futuro da criação de energia.

Fissão e Fusão Nuclear
Fissão e Fusão

Fonte: nuclear.duke-energy.com

Fissão e Fusão Nuclear

A fissão nuclear e fusão nuclear ambos são fenômenos nucleares que liberam grandes quantidades de energia, mas eles são diferentes processos que geram produtos diferentes. Saiba o que a fissão nuclear e fusão nuclear são e como você pode distingui-los.

Fissão nuclear

A fissão nuclear ocorre quando o núcleo de um átomo se divide em dois ou mais núcleos menores. Estes núcleos menores são chamados produtos de fissão.

Partículas (por exemplo, os nêutrons, fótons, partículas alfa) geralmente são liberados também. Este é um processo exotérmico libertando energia cinética dos produtos de fissão e de energia sob a forma de radiação gama.

Fissão pode ser considerada uma forma de elemento de transmutação desde a alteração do número de protões de um elemento essencial, o elemento muda de um para o outro.

Exemplo:

235 92 U + 1 0 n ? 90 38 Sr + 143 54 Xe + 3 1 0 n

Fusão Nuclear de Fissão nuclear

A fusão nuclear é um processo em que os núcleos atómicos estão fundidos em conjunto para formar núcleos mais pesados.

Extremamente elevadas temperaturas (da ordem de 1,5 x 10 7 ° C) pode forçar núcleos juntos.

Grandes quantidades de energia são liberadas quando ocorre a fusão.

Exemplos de Fusão Nuclear:

As reações que ocorrem no sol fornecem um exemplo de fusão nuclear:

1 1 2 1 H + H ? 3 2 Ele

3 2 3 2 Ele + Ele ? 4 2 He + 2 1 1 H

1 1 1 1 H + H ? 2 1 H + 0 1 ß

A distinção entre fissão e fusão

Ambos fissão e fusão liberam enormes quantidades de energia.

Ambos fissão e fusão reações podem ocorrer em bombas nucleares.

Então, como você pode dizer a fissão e fusão separados?

Fissão quebra núcleos atômicos em pedaços menores. Os elementos de partida tem um número atómico mais elevado do que o dos produtos de fissão. Por exemplo, o urânio pode fissão para produzir estrôncio e criptônio.

Fusão une núcleos atômicos juntos. O elemento formado tem mais neutrões ou mais protões do que a do material de partida. Por exemplo, o hidrogénio e hidrogénio podem fundir-se para formar o hélio.

Fonte: chemistry.about.com

Fissão e Fusão Nuclear

Para compreender a produção de energia nuclear e o seu processo, há primeiro que conhecer e perceber dois processos: a fissão e a fusão nucleares.

Na fissão (ou cisão) nuclear, um átomo de um qualquer elemento é dividido, produzindo dois átomos de menores dimensões de elementos diferentes.

A fissão de urânio235, por exemplo, liberta uma média de 2,5 neutrões por cada núcleo dividido. Por sua vez, estes neutrões vão rapidamente causar a fissão de mais átomos, que irão libertar mais neutrões e assim sucessivamente, iniciando uma auto-sustentada série de fissões nucleares, à qual que se dá o nome de reação em cadeia, a qual resulta na libertação contínua de energia.

Curiosamente, quando a massa total dos produtos da cisão nuclear é calculada, verifica-se que é menor do que a massa original do átomo antes da cisão.

A teoria da relatividade de Albert Einstein dá a explicação para esta massa que se perde durante o processo em cadeia: Einstein demonstrou que massa e energia são as duas equivalentes. Portanto, a massa perdida durante a cisão reaparece sob a forma de energia. Einstein resumia esta equivalência na famosa equação

E=mc2

Nesta equação, E é a energia, m a massa e c a velocidade da luz. Uma vez que c é muito grande (300 mil quilómetros por segundo), E será realmente muito grande, mesmo quando se perde apenas uma pequena porção de massa.

Na Fusão Nuclear o processo é precisamente inverso. Dois ou mais núcleos atómicos juntam-se e formam um outro núcleo de maior número atómico. A fusão nuclear requer muita energia, mas geralmente liberta muito mais energia que a que consome. Quando ocorre com elementos mais leves que o ferro e o níquel (que possuem as maiores forças de coesão nuclear de todos os átomos, sendo portanto mais estáveis) geralmente libera energia, e com elementos mais pesados consome.

No Sol é um reactor de fusão natural. O principal tipo de fusão que ocorre no interior das estrelas, como o próprio Sol, é do de Hidrogénio em Hélio, onde quatro protões fundem-se numa partícula alfa (um núcleo de hélio), liberando dois positrões, dois neutrinos e energia. Mas dentro desse processo ocorrem várias reações individuais, que variam de acordo com a massa da estrela. Para estrelas do tamanho do sol ou menores, a cadeia protão-protão é a reação dominante

É de notar que há conservação de energia e, portanto, se pode calcular a massa dos quatro protões e o núcleo de hélio, e subtrair a soma das massas das partículas iniciais daquela do produto desta reação nuclear para calcular a massa/energia emitida.

Utilizando a equação E=mc2, pode calcular-se a energia liberada, oriunda da diferença de massa. Uma vez que o valor do "c" é muito grande (aprox. 3 . 108 m/s), mesmo uma massa muito pequena corresponde a uma enorme quantidade de energia. Foi este fato que levou muitos engenheiros e cientistas a iniciar projectos para o desenvolvimento de reactores de fusão para gerar electricidade. (por exemplo, a fusão com poucos cm3 de deutério e um isótopo de hidrogénio, produziria uma energia equivalente àquela produzida pela queima de 20 toneladas de carvão, o que pode significar uma grande vantagem para este tipo de produção de energia).

Fonte: energianuclear.discutforum.com

Fissão e Fusão Nuclear

Fissão nuclear é o termo utilizado para designar a divisão de um núcleo atômico quando este se choca com um nêutron. Também pode ocorrer de forma espontânea, mas ocorre raramente. No momento da fissão nuclear libera-se energia cinética que em junção às energias dos novos núcleos formados devem possuir a mesma quantidade do núcleo inicial antes de sofrer o choque.

Fissão e Fusão Nuclear
Fissão nuclear

Esse processo de fissão nuclear é contínuo, ou seja, a energia liberada juntamente com os nêutrons se choca com novos núcleos e forma novas divisões e mais nêutrons. A este processo dá-se o nome de reação em cadeia. Na fissão nuclear o núcleo atômico perde quantidade significativa de massa fazendo com que a massa dos reagentes seja maior que a massa do núcleo atômico.

Este processo é utilizado de forma positiva em usinas nucleares para a obtenção de eletricidade e de forma negativa em bombas atômicas como as utilizadas em Hiroshima e Nagasaki. A polêmica que rodeia a utilização de usinas nucleares e a construção de bombas atômicas são os fatores de risco à vida. Apesar de extremamente seguras, as usinas nucleares podem apresentar falhas de origem humana, problemas técnicos e ainda sabotagens que além de problemas de saúde geram contaminação na biosfera. No caso da construção das bombas atômicas, além de ser uma construção humana contra a própria vida pode também, em sua construção, haver erros que prejudiquem o meio ambiente.

Em reações em cadeia controla-se a quantidade de energia liberada e ainda a quantidade de nêutrons produzidos pelo choque.

Fissão e Fusão Nuclear
Representação de um átomo de Urânio

O 235U, por exemplo, ao ser bombardeado com um nêutron, fissiona em dois pedaços menores, emitindo normalmente dois ou três nêutrons. Se houver outros núcleos de 235U próximos, eles têm uma certa chance de ser atingidos pelos nêutrons produzidos na fissão. Se houver um grande número disponível de núcleos de urânio-235, a probabilidade de ocorrerem novas fissões será alta, gerando novos nêutrons, que irão gerar novas fissões.

Fusão nuclear

Fusão nuclear é a união dos prótons e nêutrons de dois átomos para formar um único núcleo atômico, de peso superior àqueles que lhe deram origem. Nesse processo, é liberada uma quantidade de energia equivalente à diferença entre a energia de ligação do novo átomo e a soma das energias dos átomos iniciais. São as reações de fusão nuclear que fornecem a energia irradiada pelo Sol, pela fusão de quatro átomos de hidrogênio para formar um átomo de hélio. Dados espectroscópicos indicam que esse astro é constituído de 73% de átomos de hidrogênio e 26% de átomos de hélio, sendo o restante fornecido pela contribuição de vários elementos.

Os fenômenos envolvidos na fusão nuclear constituem o fundamento das reações termonucleares que ocorrem no interior das estrelas.

Fusão nuclear é a união dos prótons e nêutrons de dois átomos para formar um único núcleo atômico, de peso superior àqueles que lhe deram origem. Nesse processo, é liberada uma quantidade de energia equivalente à diferença entre a energia de ligação do novo átomo e a soma das energias dos átomos iniciais. São as reações de fusão nuclear que fornecem a energia irradiada pelo Sol, pela fusão de quatro átomos de hidrogênio para formar um átomo de hélio. Dados espectroscópicos indicam que esse astro é constituído de 73% de átomos de hidrogênio e 26% de átomos de hélio, sendo o restante fornecido pela contribuição de vários elementos.

Para que ocorra o processo de fusão, é necessário superar a força de repulsão elétrica entre os dois núcleos, que cresce na razão direta da distância entre eles.

Como isso só se consegue mediante temperaturas extremamente elevadas, essas reações também se denominam reações termonucleares. Durante muito tempo, a única reação de fusão nuclear realizada na Terra era a utilizada na bomba de hidrogênio, em que a explosão atômica fornece a temperatura necessária (cerca de quarenta milhões de graus Celsius) para que a fusão tenha início.

A fusão nuclear controlada proporcionaria uma fonte de energia alternativa relativamente barata para a produção de eletricidade e contribuiria para poupar as reservas de combustíveis fósseis como o petróleo, o gás natural e o carvão, que decrescem rapidamente. As reações controladas podem ser obtidas com o aquecimento de plasma (gás rarefeito com elétrons e íons positivos livres), mas se torna difícil conter os plasmas nos altos níveis de temperatura requeridos para as reações de fusão auto-sustentadas, pois os gases aquecidos tendem a expandir-se e escapar da estrutura circundante. Experiências com reator de fusão já foram empreendidas em vários países.

Fonte: www.ebah.com.br

Fissão e Fusão Nuclear

Fissão nuclear

Fissão nuclear é a divisão de um núcleo atômico pesado e instável através do seu bombardeamento com nêutrons - obtendo dois núcleos menores, nêutrons e a liberação de uma quantidade enorme de energia.

Em 1934, Enrico Fermi, bombardeando átomos de urânio com nêutrons, observou que os núcleos bombardeados capturavam os nêutrons, originando um material radioativo. Em 1938, Hahn e Strassmann, repetindo a mesma experiência, constataram a existência do bário entre os produtos obtidos.

Equacionando:

92U235   +   0n1   =   56Ba142   +   36Kr91   +   3 0 n1   +   4,6 . 109kcal

Os nêutrons liberados na reação, irão provocar a fissão de novos núcleos, liberando outros nêutrons, ocorrendo então uma reação em cadeia:

Essa reação é responsável pelo funcionamento de reatores nucleares e pela desintegração da bomba atômica.

Fusão nuclear

É a junção de dois ou mais núcleos atômicos produzindo um único núcleo maior, com liberação de grande quantidade de energia. Nas estrelas como o Sol, ocorre a contínua irradiação de energia (luz, calor, ultravioleta, etc.)proveniente da reação de fusão nuclear.

História

Em 1939 dois cientistas alemães, Otto Hahn e Fritz Strassmann, fizeram uma descoberta acidental que viria a mudar a face do mundo. Enquanto estavam bombardeando uma amostra de urânio com neutrons, na espectativa de que o urânio iria absorver os neutrons e assim formar isótopos mais pesados, eles ficaram atônitos ao perceber que obtinham das experiências provas químicas objetivas da produção não de algo mais pesado, mas sim de algo mais leve que o urânio - eles tinham evidência positiva da produção do bário. É claro que eles ficaram atônitos, e não acreditaram muito no que haviam feito, mas de qualquer forma a sua descoberta vazou - o tempo era de pré Segunda Grande Guerra - , e de alguma forma não sei lá se muito explícita, a notícia chegou a duas cientistas, Lise Meitner e Otta Frisch, que haviam obtido refúgio político (contra o nazismo) na Suissa. Lisa entrou numas que o núcleo de urânio, ativado pelo bombardeamento de neutrons, teria sido partido ao meio. Assim sendo, em comparação aos processos biológicos de divizão celular, ela chamou o resultado do bombardeamento do urânio de "fissão". Estava cunhada uma palavra que iria se tornar histórica.

A fissão nuclear envolve uma delicado balanço dentro do núcleo do átomo entre a reação nuclear (um neutron em alta velocidade "ataca" o núcleo de um átomo de urânio) e a repulsão elétrica entre as cargas existentes no núcleo atômico. Nos núcleos dos átomos não radiativos, as forças fortes dominam a estabilidade nuclear.

No isótopo 235 do urânio (e por consequência nos isótopos transurânicos), entretanto, essas forças são tênues: se o núcleo é esticado para além de seu volume, por absorver um novo neutron, as forças elétricas das partículas do próprio núcleo atômico podem fazê-lo "esticar" ainda mais, até que as forças nucleares não podem mais segurar o conjunto coeso, e as forças elétricas causam a partição do núcleo original; isso é fissão nuclear. Numa visão quantum-mecânica, existe aí um efeito de tunelamento, mas isso é outra história.

Aparentemente, a absorção de um neutron por um núcleo de urânio pode causar tar alongamento do volume nuclear, e a fissão resultante pode produzir uma quantidade enorme de núcleos de átomos mais leves. A reação química envolve ainda a evolução de uma tremenda quantidade de energia, algo como duzentos MILHÕES de eV (uma molécula de dinamite emite na explosão 30 eV). A massa total dos fragmentos e dos neutrons produzidos na fissão são menores do que a massa do átomo de urânio inicial, pois que a pequeniníssima massa que falta se transformou na imenssissíma quantidade de energia, de acordo com a equação de Einstein, E = MC2. A energia da fissão acontece, na sua forma mais aparente, como energia cinética dos neutrons e outros produtos de fissão ejetados, e na radiação gama que acompanha o processo.

É claro que a comunidade científica ficou extasiada com as notícias da possibilidade de se obter uma fissão nuclear, não só pela enorme quantidade de energia liberada, mas também pela possibilidade de ser estabelecida, pela primeira vez, uma reação em cadeia: se um núcleo de um átomo de urânio em processo de fissão libera dois ou três neutrons (tipicamente), cada neutron livre pode ter energia suficiente para arrebentar outros núcleos de átomos de urânio, e assim por diante, de formas a que toda uma cadeia de reações de destruição de núcleos atômicos irá acontecer, de etapa a etapa, de uma forma mais e mais veloz. E a liberação de energia de cada etapa da reação se torna mais e mais "energética".

Nos depósitos naturais do urânio, o U-235 é encontrado em menos de 1 %. O barato é que os ~ 99 % do U-238 absorve neutrons, mas seu núcleo não é instável a ponto de tal reação resultar em fissão.

Resultado: amostras naturais de urânio são tão impuras, que o isótopo 238 absorve os neutrons do 235 e assim, previne uma reação em cadeia expontânea. De uma certa forma, essa propriedade do próprio mineral radiativo deu aos cientistas uma dica para a sua aplicação (para o bem e para o mal - os cientistas sabiam das propriedades, os tecnólogos, das aplicações do saber científico: quem era esperto e quem era ingênuo? P.S. : existe esperteza na aplicação da ciência e da tecnologia?).

Veja só o problema envolvido no desenvolvimento da tecnologia: se você tem uma amostra muito pura de U-235, o número de neutrons que vão escapar pela superfície dela naturalmente (sem ser absorvidos pelo resto dos átomos de U-235 da sua amostra) vai ser tão grande, que o número resultante de neutrons que vão ser absorvidos, e assim tentar começar uma reação em cadeia, serão tão poucos, que a reação em cadeia terá uma duração muito curta, ou então não ocorrerá de forma nenhuma, por causa da "falta de combustível".

Nesse ponto é muito importante estressar (palavra muito em moda, atualmente) que quanto mais pequenos os objetos (portanto menor volume tridimensional), quanto mais desproporcional será a sua área superficial (toda aquela região que envolve toda a superfície o objeto) em relação ao seu volume.

Atente bem: algo grande, área superficial grande. Um dividido pelo outro, quase nada. Algo menor, com grande área superficial, dá zebra.

Seguindo o raciocínio da área superficial: coloque uma amostra de material fissionável de formas a que a área superficial da sua amostra seja menor (proporcionalmente) do que o tamanho da sua amostra: o resultado será uma explosão monumental. Muitos (no caso neutrons) estarão atingindo átomos do seu material fissionável! Daí que o tamanho mínimo mínimo do material que vai garantir uma reação em cadeia é chamado de "tamanho crítico", e a massa de material que irá ter aquele tamanho, de massa crítica. Se a massa for maior do que a crítica, uma explosão de enorme magnitude pode vir a ocorrer.

Agora considere uma quantidade suficiente de U-235, em duas unidades separadas, cada qual menor do que a do tamanho crítico. Por causa da relativamente larga área superficial, os neutrons vão embora, e a reação em cadeia não pode começar. MASSSSS, se os dois pedaços forem combinados no tempo certo, a área superficial será menor, e a massa será maior do que a massa crítica. Resultado: uma explosão violenta vai ocorrer. Isso é uma bomba "atômica".

Fonte: inorgan221.iq.unesp.br

Fissão e Fusão Nuclear

Matéria e Energia

Em princípios do século XX (1905), Einstein deu a conhecer sua teoria especial da relatividade. Nela, o grande cientista estabeleceu que "matéria e energia são apenas duas manifestações diferentes da mesma realidade física fundamental e que podem converter-se, uma em outra, segundo a equação:

E = m.c2 "

Anos mais tarde, Rutherford (1914), com aquele talento notável que o fazia pensar no futuro, indicou a possibilidade de "alterar o núcleo de um átomo por colisão direta de tal núcleo com elétrons rápidos ou com átomos de hélio (partículas beta, ou alfa, respectivamente) como os que emitem a matéria radioativa".

As novas idéias, que na Parte 3 intitulamos de "Comoção na Física", assim como as descobertas do nêutron e da radioatividade, artificial ou induzida, iniciaram outra etapa que desempenharia papel determinante no futuro da ciência e no destino da humanidade.

No estudo da estrutura nuclear, consideramos o núcleo como sendo constituído de prótons e nêutrons, ficando claro, porem, que a massa desse núcleo era menor que a soma das massas de seus componentes. Esta pequena diferença em massa é equivalente a uma enorme quantidade de energia, de acordo com a equação de Einstein. Por exemplo, a energia liberada ao se formar um núcleo de hélio, pela combinação de dois prótons e dois nêutrons, é sete milhões de vezes maior do que a que se liberta ao se queimar carvão segundo o processo ordinário de combustão.

Logo, se se podem combinar dois nuclídeos leves para formar um mais pesado, o núcleo pesará menos que a soma dos dois originais, aparecendo a diferença em massa na forma de energia.

Por outro lado, se um núcleo pesado pudesse ser dividido em partes menores, a soma das massas do pagamento seria menor do que a massa do núcleo original.

Em ambos os processos, uma pequena quantidade de matéria desaparece, a qual, de acordo com a teoria especial da relatividade, aparecera na forma de uma enorme quantidade de energia. Estes processos, hoje conhecidos pelo homem, são a fusão e a fissão nucleares.

O que se havia prognosticado, converteu-se em realidade quando, em 02 de dezembro de 1942, foi posto em funcionamento, em Chicago (E.U.A.), o primeiro reator nuclear, utilizando o processo de fissão. O homem havia iniciado o aproveitamento da energia nuclear.

Reações Nucleares

O processo da emissão espontânea de partículas alfa, por substancias radioativas naturais, foi utilizado para provocar, com êxito, “transformaçoes” em núcleos estáveis. Com efeito, quando uma partícula nuclear externa,utilizada como “projétil”, sofre interação com o núcleo de um átomo, torna-se possível produzir, ou provocar, uma reação nuclear.

Em 1936, Bohr estabeleceu a idéia de um núcleo composto nas reações nucleares. Segundo tal idéia, um projétil, ou partícula, ao penetrar o núcleo de um átomo, dava lugar ao aparecimento de um núcleo composto em “estado excitado”. Em seguida, este núcleo composto emitia uma, ou mais, partículas acompanhadas, ou não, de raios gama.

Reação nuclear

Ao se formar o “núcleo composto”, os núcleons mover-se-ão, no interior do mesmo, com maior rapidez e o processo seguinte, formação do núcleo resultante e emissão de partículas e raios gama, dependera da energia da partícula incidente, dos chamados “processos de saída” etc. Quando as energias das partículas incidentes são muito elevadas supõe-se que a reação nuclear se dê diretamente, sem formação do núcleo composto; este processo é chamado de “spallation” ou “fragmentação” (ou ainda, desmoronamento).

Se utilizarmos o modelo da gota liquida , a interpretação resultante para o “núcleo composto” se torna interessante. Pode-se representa-lo por urna “gota de líquido quente” que, ao “evaporar-se” uma ou mais moléculas (desintegração do núcleo composto dando lugar ao núcleo resultante e emitindo partículas e raios gama), vai-se “esfriando” até alcançar seu estado final.

As primeiras experiências, nas quais se observa uma transmutação nuclear, foram feitas por Rutherford em 1919.

Utilizando Ra C’ como fonte emissora de partículas alfa e nitrogênio comum como “alvo”, Rutherford provocou a reação:

42He + 147N ===>  178O + 11H 

na qual a partícula alfa, ao ser “absorvida” pelo núcleo de nitrogênio, dá lugar à formação do oxigênio-17 (isótopo do oxigênio), emitindo-se um próton.

Em 1930, Cockcroft e Walton projetaram um acelerador de prótons.

Realizou-se, então, a seguinte reação:

73Li + 11H  ===>  (84Be)(núcleo composto)  ===>  42He + 42He

Utilizando prótons de alta velocidade como 'projéteis' e lítio-7 como ”alvo”, conseguiram-se duas particu1as alfa. Esta reação teve grande importância, pois serviu para comprovar que os núcleos dos átomos podiam ser penetrados por partículas com energias menores que o valor necessário para ultrapassar a “barreira de potencial”.

Modelo nuclear de Gamow

O uso das reações nucleares para provocar “transmutaçoes” tornaram-se cada vez maior.

Em 1934, o casal Joliot-Curie produziu isótopos radioativos, pela primeira vez, ao descobrir o fósforo-30 (radioativo), bombardeando alumínio com partÍculas alfa.

A reação pode ser representada por:

2713Al + 42He  ===> 3015P + 10n 

O 30P é radioativo e, por desintegração b+ , com perÍodo de semi-desintegração de 2,6 minutos, passa a silício-14:

3015P  ==(0+1b)(T1/2=2,6min)==>  3014Si 

Um ano antes (1933), a radioatividade induzida fora observada por Joliot-Curie, ao bombardearem” boro-10 com partículas alfa:

105B + 42He  ===>  137N + 10n

Eles sugeriram que o nitrogênio produzido era instável e que se desintegrava, por emissão de pósitrons (b+), a carbono-13, assim:

137N  ===>  136C + 01e(pósitron) 

Em 1935 receberam o premio Nobel por sua descoberta.

Com o desenvolvimento do ciclotron e outras maquinas aceleradoras(Betatron, Síncrotron etc.) foi possível dispor de “projéteis” com velocidades maiores.

Ademais, lograram-se muitos tipos de reações nucleares utilizando outra espécie de partículas. Principalmente, a descoberta do nêutron, em 1932, marcou uma época sem precedentes, pois devido a ausência de carga e alto poder de penetração, foi utilizado especialmente por Fermi para “penetrar” os núcleos dos elementos pesados que possuem carga elétrica elevada.

As reações nucleares, usualmente, se abreviam com símbolos.

Assim, por exemplo, o bombardeio de alumínio-27 com prótons para dar magnésio-24 e partículas alfa representa-se, em forma abreviada, por:

2713Al + 11H  ===>  2412Mg + 42He 

Secção de Choque

A probabilidade de que uma partícula, utilizada como “projétil” numa reação nuclear, sofra interação com um núcleo se descreve introduzindo o conceito de secção de choque.

Sabemos que, quando um núcleo é “bombardeado” com partículas de uma determinada espécie, podem-se realizar diferentes processos: espalhamento (recorde-se da experiência de Rutherford que provou a existência do núcleo); transmutação de um elemento, provocando,em determinados casos, o surgimento de elementos radioativos; partição ou rompimento do núcleo (fissão); etc. A probabilidade de que estes efeitos aconteçam,descreve-se em termos da secção de choque.

Como descreveremos este conceito?

Se imaginarmos cada núcleo alvo apresentando uma área de interação para as particulas incidentes, ou projéteis, tal que, qualquer partícula que atinja esta área, sofra interação com o núcleo, teremos uma idéia do que representa a secção de choque. Ou seja, é uma "área imaginaria associada a cada núcleo" tal que, se o projétil chega a esta área, a reação nuclear acontecerá.

Quanto maior for esta área, tanto maior será a probabilidade de que se produza o evento. A secção de choque pode ser maior ou menor do que a "secção de choque geométrica" (se pudéssemos medir o raio de um núcleo - r -, sua área seria p.r2 que é o que se chama de secção de choque geométrica).

secção de choque varia de acordo com a energia da partícula incidente e com o processo que se considere. A unidade que se utiliza para medi-la é o barn, equivalente a 10-28 m2.

O número de partículas N, que penetram num alvo, diminui exponencialmente com a espessura x do alvo.

A Descoberta da fissão Nuclear

Entre os físicos do século XX é difícil encontrar algum que seja igualmente destacado nos campos teórico e experimental. O caso de Enrico Fermi é urna exceção; dotado de qualidades extraordinárias em ambos os campos,foi um dos físicos mais notáveis desta época. Não podemos sequer iniciar o estudo da fissão nuclear sem que apareça seu nome. Como menciona Lise Meitner (descobridora da fissão, juntamente com Hahn, Strassmann e Frisch), o pioneiro no estudo da fissão foi Fermi.

Com efeito, depois da descoberta do nêutron e da radioatividade artificial, Fermi iniciou uma série de experiências ”bombardeando, com nêutrons, quantos elementos pode, obtendo, assim, uma série de radioisótopos, a qual incluía elementos pesados”. Bombardeando urânio com nêutrons, Fermi chegou a um resultado que pensou tratar-se de elementos de números atômicos maiores do que o número atômico do urânio (elementos transurânicos), até então, o de mais alto valor conhecido.

Segundo expressa Lise Meitner, “ela achou estas experiências tão interessantes que persuadiu a Otto Hahn e depois a Strassmann, a continuarem colaborando juntos, visando a resolver estes problemas”. A partir de 1934, estabeleceu-se uma estreita colaboração entre estes pesquisadores.

Ao examinar o comportamento do urânio bombardeado com 'nêutrons lentos’ eles demonstraram, quimicamente, a formação de um emissor b, o urânio-239.

Evidentemente, a emissão de partículas beta praticamente comprovava a presença de um elemento transurânicos. Mais tarde, este elemento foi denominado netúnio (número atômico 93).

Posteriormente, Irene Curie e Savitch informaram, ainda que com duvida, a descoberta de um elemento transurânicos de 3 horas e meia de meia-vida, que tinha um comportamento parecido ao lantânio, um dos chamados ”terras raras” na tabela periódica dos elementos. Hoje se sabe que este “elemento” de 3 horas e meia de meia-vida não era senão uma mistura de bário e lantânio.

A experiência foi repetida por Hahn e Strassmann que concluíram que não se tratava de um elemento novo e sim de uma mistura de isótopos do radio, emissores beta. não obstante, ao tratar de separar estes isótopos do radio, observaram, com surpresa extraordinária, que se tratava de isótopos do bário, cujo número de massa era muito menor do que o do rádio ou do urânio.

Otto Hahn escreveu a Lise Meitner explicando o surpreendente resultado obtido (Natal, 1938); esta e Frish ofereceram uma explicação ao fenômeno.Sem duvida alguma, estavam frente a um processo completamente diferente dos já conhecidos.

Utilizando “o modelo da gota liquida” para o núcleo de urânio, estes pesquisadores concluíram, em sua famosa comunicação: “Um novo tipo de reação nuclear", que, devido ao elevado número de prótons no núcleo de urânio, a tensão superficial do mesmo diminuía, devido à repulsão dos prótons. Ao se bombardear urânio com nêutrons, estes eram capturados pelos núcleos daquele, convertendo-se o urânio em um núcleo tal que, o movimento de prótons e nêutrons no mesmo, se tornava violentíssimo (provocando oscilações extraordinárias), produzindo-se finalmente, a fissão ou bipartição do mesmo e liberando-se uma tremenda quantidade de energia. A fissão nuclear era uma realidade.

A partir deste momento (1939), o estudo da fissão nuclear converteu-se em tema de estudo no mundo inteiro, culminando com a aparição do primeiro reator nuclear (1942) e a explosão da bomba atômica (1945).

Mecanismo da Fissão

Ao desenvolvermos o tema da descoberta da fissão nuclear, mencionamos que o modelo nuclear mais adequado para explica-la era o modelo da gota líquida.

Com efeito, se imaginamos o núcleo como uma “gota líquida” constituída pelos núcleos (prótons e nêutrons), podemos pensar em forças como a “tensao superficial” atuando no mesmo. Se considerarmos os prótons e os nêutrons como “esferazinhas” na “gota liquida”, estas estarão “ligadas” pelas chamadas forças nucleares (já mencionadas) de curto alcance e sempre de atração, às quais atribuímos, de certa forma, a estabilidade do núcleo. Sem duvida, é necessário levar em conta as forças repulsivas entre os prótons, ou repulsão de Coulomb.

Ao aumentar o número de prótons as forças repulsivas aumentarão consideravelmente e, segundo observamos nos núcleos pesados, o número de nêutrons é maior do que o número de prótons; desta maneira, obtém-se as forças atrativas adicionais para contrabalançar a “repulsao coulombiana” e garantir,de certa forma, a estabilidade de um núcleo pesado.

O núcleo, concebido então como uma gota liquida, será capaz de ‘oscilar' se utilizando-se o procedimento adequado, for levado a um estado de excitação.

Quando isto ocorre, a forma da "gota liquida” muda como se indica na fig. 6.6. As forças de tensão superficial tratam de compensar as forças repulsivas, assim como a inércia da matéria. Se este estado de excitação não é grande, as forças de superfície são suficientes para compensar as forças repulsivas e, o núcleo perdera este estado de excitação por simples emissão de radiação gama.

Imaginemos agora que tal estado de excitação é elevado; por exemplo, consideremos o núcleo de um elemento pesado como o urânio-235, com 92 prótons e 143 nêutrons, que se bombardeia com “neutrons lentos”(explicamos esse termo mais adiante). É possível que este núcleo “capture” ou absorva um nêutron. A energia deste é suficiente para levar o núcleo de urânio a um estado altamente excitado. A gota liquida, com a qual representamos o núcleo, começa a oscilar, os nucleons movem-se com maior “rapidez”, o volume da “gota liquida” permanece constante, porem, a área total aumenta com as vibrações (ver fig. 6.6). Se estas são suficientemente fortes, finalmente o núcleo fissiona-se.

Explicação da fissão nuclear utilizando o modelo da “gota líquida”

Para se conhecer a energia média liberada na fissão do 23592U suponhamos que na fissão são produzidos dois fragmentos, ou núcleos tais que, ao somar os números de massa, antes e depois da fissão, observa-se uma perda de massa de 0,2146 unidades de massa atômica, como por exemplo:

10n + 23592U  ===>  14156Ba + 9236Kr + b10 + energia 

então, lembrando que 1 u.m.a. = 931 MeV, teremos 0,2146 u.m.a ~ 200 milhões de elétron-volts por núcleo; compare-se com 4 elétron-volts por molécula, produzidos na combustão ordinária. Os fragmentos não podem ser mantidos unidos. A distancia de separação entre tais fragmentos é tal que ficam fora do alcance das forças nucleares (curto alcance); sem duvida, a repulsão eletrostática faz então, com que os núcleos se separem com extraordinária energia. O núcleo fissionou-se libertando enorme quantidade de energia.

Os produtos da fissão são instáveis, têm excesso de nêutrons e, por sua vez, seguem cadeias de desintegração mediante emissão b- ou emissão de nêutrons, que conduzem a nuclídeos estáveis, por exemplo, no caso de fissão do 23592U, se os produtos de fissão são os indicados, estes seguirão as transformações:

14156Ba ==(b)[18min]==> 14157La ==(b)[3,7 h]==> 14158Ce ==(b)[33 dias]==> 14159Pr

9236Kr ==(b)[3 s]==> 9237Rb ==(b)[75,3 s]==> 9238Sr ==(b)[2,6 h]==> 9239Y ==(b)[3,6 h]==> 9240Zr

A transformação dos produtos da fissão, por emissão b-, ou por emissão de nêutrons, “depende da energia do núcleo com respeito a cada um destes processos".

Quando a fissão nuclear tem lugar, a maior parte dos nêutrons são emitidas num curto intervalo de tempo. Estes nêutrons são chamados de instantâneos (ou prontos). Contudo, menos de 1% dos nêutrons são emitidos posteriormente. Estes nêutrons, provenientes da desintegração dos produtos de fissão, são chamados nêutrons atrasados.

Emissores de nêutrons atrasados

Determinou-se que, em média, são libertados 2,5 nêutrons, na fissão do urânio-235.

Na fig. 6.8. encontramos a representação das energias dos nêutrons instantâneos.

Gráfico das energias dos nêutrons instantâneos na fissão do urânio-235

A energia média dos raios gama emitidos na fissão do urânio-235 é de aproximadamente 23 MeV.

A fissão nuclear tem sido estudada, utilizando-se outros elementos ou isótopos de um mesmo elemento: tório, plutônio-239, urânio-238, urânio-233 etc., variando-se o “projétil” ou método para a excitação do núcleo. Desta forma, a fissão tem sido produzida por bombardeio com raios gama ou prótons; inclusive, pode-se pensar em “fissao espontânea” em núcleos muito instáveis; contudo, é mais provável que, neste ultimo caso, os núcleos sigam desintegração alfa.

Em nosso estudo da fissão sempre temos mencionado elementos pesados,embora, teoricamente, seja possível pensar na fissão de qualquer elemento se tivéssemos energia suficiente. Contudo, o processo só tem “significado pratico” quando o núcleo tem número atômico > ou = a 90.

Em Berkeley, 1951, utilizando-se de prótons de alta energia conseguiu-se a fissão de elementos leves, tais como:

63Cu + prótons  ===>  38Cl + 25l + n

Numerosos núcleos atômicos são produzidos pela fissão do urânio e do tório ao se bombardeá-los com nêutrons; este fato faz pensar em que, tanto o núcleo de tório quanto o do urânio, pode “romper-se” de varias formas ou de maneiras diferentes, ao absorver um nêutron. Sem duvida, os produtos de fissão conhecidos têm números atômicos compreendidos entre 30 e 63, dependendo esta distribuição da energia de excitação disponível para os processos de fissão ou “bipartição”.

Gráfico que mostra os rendimentos nos produtos da cadeia de cisão do urânio-235, em função do número de massa.

Elementos Transurânicos

Chamaram-se elementos transurânicos aos que possuem números atômicos maiores que 92 (urânio).

O primeiro destes elementos e o netúnio, obtido pelo bombardeamento do urânio com nêutrons de baixa energia.

Neste caso, pode-se produzir fissão do urânio-235, porém o urânio-238 absorve um nêutron passando a urânio-239 que, posteriormente, se desintegra (desintegração beta), com uma meia vida de 23 minutos, a netúnio-239, da seguinte forma:

23892U + 10n ====>  23992U
                                     ||
                                     ||
                                     \ /
                                                                   23993Np + e- 
 

Por sua vez o netúnio é radioativo e, por desintegração beta, dá plutônio:

23993Np  ====> 23994Pu + e-  

O plutônio foi o primeiro elemento produzido pelo homem em quantidades apreciáveis e tem quinze isótopos conhecidos, todos radioativos. Destes, o mais importante é o plutônio-239, pois é físsil e pode ser utilizado como fonte de energia.

Fissão do plutônio-239

O elemento plutônio, segundo dos elementos transurânicos, foi descoberto por Arthur Wahl, Glenn T. Seaborg e Joseph Kennedy e seu nome foi sugerido pelos dois primeiros em honra de Plutão, o segundo planeta em nosso sistema solar depois de Urano.

A energia nuclear liberada por uma 0,5 kg de plutônio é equivalente à energia produzida pela combustão de 1 500 000 kg de carvão:

Comparação da energia liberada por 0,5 kg de plutônio-239 e seu equivalente em carvão.

Vários elementos transurânicos foram produzidos no laboratório e a tabela periódica, que até há poucos anos, se estendia só até o urânio (número atômico 92), hoje conta com novos elementos (transurânicos).

Reação em Cadeia

Na fissão de elementos pesados 233U, 235U, 232Th, 239Pu etc., é emitido mais de um nêutron e, já que esta partícula pode provocar novas fissões, em determinadas condições, e possível conseguir uma reação em cadeia ou auto mantida. A energia liberada num processo deste tipo é extraordinária ... e, nem sempre foi possÍvel controlá-la.

Eis um exemplo de reação em cadeia: O controle da fissão é hoje uma realidade que permite ao homem utilizar, de modo seguro, uma fonte de energia extraordinária. A produção de energia nuclear se consegue mediante o emprego dos reatores nucleares.

Fusão Nuclear

Até aqui tratamos, com minúcias, o fenômeno da divisão ou fissão de um núcleo em fragmentos menores.

Ao terminarmos, poderíamos perguntar: seria possível pensar no fenômeno inverso? Isto é, poderíamos combinar os núcleos de elementos leves, digamos, hidrogênio, para dar lugar a elementos mais pesados? Que quantidade de energia obteríamos neste processo?

Para começarmos o estudo da fusão nuclear, podemos dizer que se a energia produzida no fenômeno da fissão nos pareceu extraordinária, a que se obtém, ao realizar-se a combinação ou fusão de elementos leves, é ainda maior.

O estudo atual da fusão pretende, precisamente, colocar nas mãos do homem a tremenda energia liberada nestes processos de forma controlada.

Pensemos no Sol, uma de nossas maiores fontes de energia. Como é possível que, durante séculos, este tenha estado a nos proporcionar luz/calor, brilhando de maneira extraordinária? A que se deve o processo que se realiza nas estrelas separadas de nosso planeta por distancias impossíveis de imaginar?
Hoje em dia sabemos que o Sol é constituído, basicamente por hidrogênio* com temperaturas tais (40 000 000o perto de seu centro) que os núcleos de hidrogênio podem combinar-se ou fusionar-se para dar lugar a núcleos de hélio, com certa perda de massa que aparece em forma de imensas quantidades de energia. O processo, sem duvida, é lento e, afortunadamente , o Sol continuara brilhando, como fez até agora, por muitos milhares de anos.

PoderÍamos tentar reproduzir esta reação termonuclear** na terra, entretanto, foi mais fácil provocar o processo de fusão entre núcleos de deutério (isótopo do hidrogênio, com um nêutron e um próton no seu núcleo ) e túlio, outro isótopo com um nêutron adicional (dois nêutrons e um próton no núcleo). Estes núcleos sofrem fusão de forma mais rápida. O deutério e o trítio, talvez possam constituir os principais combustÍveis em um “reator termonuclear” do futuro.

* Na realidade o Sol é constituído pelo que se chama plasma, "gás quente”, uma mistura caótica de elétrons livres e íons de hidrogênio (átomos que perderam seu elétron).

** Também chamou-se assim a fusão nuclear, devido às altas temperaturas nas quais ela se realiza.

Mecanismo da fusão e Problemas associados com a mesma

A fim de explicar o fenômeno da fusão que se realiza no sol, utilizou-se a cadeia de reações que alguns chamam de ciclo do carbono e que expressamos em continuação:

11H + 126C  ===> 137N + gama

          137N ===> 136C + e + n

11H + 136C ===> 147N + gama

11H + 147N  ===> 158O + gama

            158O ===> 157N + e+ + n

                      11H + 157N ===> 126C + 42He  

Somando-se as equações anteriores, o resultado é equivalente à fusão de quatro prótons (núcleos de hidrogênio) dando uma partícula alfa e dois pósitrons mais raios gama, com uma perda de massa equivalente a uma energia de 24,7 milhões de elétron-volts.

Outra série de processos, descrita como o ciclo próton-próton, foi utilizada para descrever este processo:

11H + 11H ===> 21H + e+ + n

11H + 21H ===> 32H + gama

                             32H32H ===> 42He + 11H + 11H

Novamente, o processo resulta na formação de uma partÍcula alfa, dois pósitrons mais raios gama, a partir de quatro prótons. A energia liberada é de 4,7 MeV.

As reações de fusão mais prováveis de serem obtidas e controladas na terra são as seguintes:

21H + 21H  ===> 32He + 1on + 3,3 MeV
          dêuteron    dêuteron    hélio -3   
  

21H + 21H  ===> 31H + 11H + 4 MeV
 dêuteron    dêuteron      trítio

daqui a combinação de um dêuteron com um tríton (núcleo de trítio):

31H + 21H ===> 42He + 1on + 17,6 MeV

O processo, para produzir uma reação de fusão controlada, apresenta muitos problemas. Em primeiro lugar, temos que pensar que os núcleos,inclusive deutério e trítio, estão carregados positivamente. Quando dois núcleos se aproximam, digamos de deutério, a baixas velocidades, a repulsão será tão grande que seria impossível que chegassem a fusionar~se.* Por isto, é necessário que os núcleos possuam energias elevadíssimas para conseguir vencer a repulsão de Coulomb. A energia necessária foi calculada em 20 000 elétron-volts, mas para alcança-la necessitaríamos elevar a temperatura do deutério a uns 200 milhões de graus. A esta temperatura não se pode sequer considerar o deutério e trítio no estado gasoso. Os elétrons são arrancados do átomo, deixando este ionizado e constituindo uma mistura de elétrons e íons, que se denomina plasma. É necessário, pois a criação de um”plasma quente’.

Certamente teremos que nos perguntar: Que recipiente seria capaz de conter este “plasma” a temperaturas de mais de 200 milhões de graus?

A solução para este problema poderia ser: utilizar um “recipiente de paredes imateriais” difícil de imaginar; mas, pensemos em “paredes constituídas por campos magnéticos" (cortinas magnéticas) que, ao atuar sobre os elétrons e íons, os obrigaria a mover-se em círculos de pequeno raio. Isto parece ser uma solução, entretanto, novos problemas, que não discutiremos aqui, aparecem com essas idéias.

* Recordemo-nos que, para conseguir que as forças nucleares atrativas atuem, teríamos que levar os núcleos a distancias de 10-13 cm.

Outro problema difícil de resolver, na fusão controlada, é o do tempo em que o plasma deve ser mantido no “recipiente de paredes imateriais”, para produzir a fusão. Nosso “equipamento de produção de fusão” necessitaria ao menos “encerrar”, ou confinar o plasma durante um segundo ou mais.Aparentemente, o tempo é curto, mas, devemos recordar-nos que estamos em escalas atômicas. Atualmente numerosos projetos desenvolveram-se para encontrar as condições apropriadas que permitam ao homem aproveitar a energia de fusão como já faz com a fusão nuclear.

Luiz Ferraz Netto

Fonte: www.feiradeciencias.com.br

Fissão e Fusão Nuclear

A Energia Nuclear

Em 16 de julho de 1945, ocorreu em Alamogordo, no estado americano de Nevada, o primeiro teste de uma bomba nuclear. A experiência prenunciou as explosões que destruiriam grande parte das cidades japonesas de Hiroxima e Nagasaki em 6 e 9 de agosto do mesmo ano. O fundamento físico de tais explosões, a energia nuclear, encontrou mais tarde vasto campo de aplicações pacíficas.

A energia nuclear é a que se obtém por processos de transformação de núcleos atômicos em outros, mediante mecanismos de fissão de núcleos pesados em fragmentos menores, ou de fusão de núcleos leves em outros maiores.

História. Logo depois de anunciada a descoberta da fissão nuclear, em 1939, também se observou que o isótopo fissionável que participa da reação é o urânio-238 e que se emitem nêutrons no processo. Especulava-se na época que uma reação de fissão em cadeia poderia ser explorada como fonte de energia. No entanto, ao iniciar-se a segunda guerra mundial, em setembro de 1939, os físicos voltaram suas pesquisas para tentar usar a reação em cadeia para produzir uma bomba.

No início de 1940, o governo americano destinou recursos para uma pesquisa que mais tarde se transformou no Projeto Manhattan.

Esse projeto incluía trabalhos sobre enriquecimento de urânio para obter urânio-235 em altas concentrações e também pesquisas para o desenvolvimento de reatores nucleares.

Eram dois os objetivos: compreender melhor a reação em cadeia para projetar uma bomba nuclear e desenvolver uma forma de produzir um novo elemento químico, o plutônio, que, segundo se acreditava, seria físsil e poderia ser isolado quimicamente a partir do urânio.

O primeiro reator nuclear foi construído na Universidade de Chicago, sob a supervisão do físico italiano Enrico Fermi. O equipamento produziu uma reação em cadeia em 2 de dezembro de 1942. Imediatamente após a segunda guerra mundial, cientistas e engenheiros de vários outros países empreenderam pesquisas destinadas a desenvolver reatores nucleares para a produção de energia em larga escala. Em 1956, o Reino Unido inaugurou em Calder Hall a primeira usina nuclear totalmente comercial. Um ano depois, entrou em operação a primeira usina americana desse tipo.

O número de grandes usinas nucleares aumentou rapidamente em muitos países industrializados até o final da década de 1970.

Depois disso, houve uma significativa redução no ritmo de utilização da energia nuclear para fins comerciais, por diversas razões: a demanda de energia elétrica ficou muito abaixo do que se esperava; o custo de construção de novas usinas nucleares era alto; a opinião pública pressionava contra a construção de usinas, principalmente depois dos catastróficos acidentes ocorridos na usina de Three Mile Island, nos Estados Unidos, e em Tchernóbil, na Ucrânia, então parte da União Soviética. Entretanto, França, Japão, Coréia do Sul e Tailândia, que dispõem de poucas alternativas energéticas, continuaram a usar a energia nuclear.

Reações Nucleares

Três tipos de reações nucleares produzem grandes quantidades de energia:

1) a desintegração radioativa, processo segundo o qual um núcleo se converte espontaneamente no núcleo de outro isótopo ou elemento;
2)
a fissão nuclear, pela qual um núcleo pesado se divide em dois outros e libera a energia neles contida;
3)
a fusão nuclear, segundo a qual dois núcleos atômicos leves, submetidos a temperaturas elevadíssimas, reagem para formar um único núcleo, de peso maior.

Todos os reatores nucleares produzem energia a partir da reação de fissão, mas os cientistas acreditam que a fusão nuclear controlada pode originar uma fonte de energia alternativa relativamente barata de geração de eletricidade, o que ajudaria a conservar o suprimento de combustíveis fósseis do planeta, em rápido esgotamento.

Produção de energia nuclear. No processo de fissão, um núcleo pesado, como o urânio, absorve um nêutron e se divide em dois fragmentos de massa aproximadamente idêntica. A reação libera grande quantidade de energia, assim como muitos nêutrons, que colidem com outros núcleos pesados e provocam sua fissão. A repetição desse processo gera uma reação em cadeia na qual vários bilhões de núcleos são fissionados numa pequena fração de segundos.

Num reator nuclear, essa série de fissões é cuidadosamente controlada, o que permite utilizar a enorme quantidade de energia liberada, que ocorre em forma de radiação e de energia cinética dos produtos da fissão lançados a altas velocidades. Boa parte dela se transforma em energia térmica quando os produtos da fissão entram em repouso. Uma porção dessa energia é usada para aquecer água e convertê-la em vapor de alta pressão, que faz funcionar uma turbina. A energia mecânica da turbina é então convertida em eletricidade por um gerador.

Além de valiosa fonte de energia elétrica para uso comercial, os reatores nucleares também servem para impelir alguns tipos de navios militares, submarinos e certas naves espaciais não-tripuladas. Outra importante aplicação dos reatores é a produção de isótopos radioativos, amplamente usados na pesquisa científica, na terapêutica e na indústria. Os isótopos são criados pelo bombardeamento de substâncias não-radioativas com os nêutrons liberados durante a fissão.

Combustível

O único material presente na natureza pronto para ser fissionado e capaz de manter uma reação em cadeia é o urânio-235.

É um isótopo raro: no urânio natural, ocorre na proporção de um para aproximadamente 140 de outro isótopo, o urânio-238. Quando um nêutron lento colide com o núcleo do átomo de urânio-235, ele se torna repentinamente instável, divide-se em dois fragmentos e libera em média dois a três nêutrons. Desses nêutrons, ao menos um deve produzir outra fissão, caso se pretenda que a reação em cadeia continue. Isso é muito difícil de conseguir com o urânio natural, porque sua concentração de núcleos de urânio-235 é tão pequena que os nêutrons podem escapar do combustível nuclear sem colidir com o núcleo fissionável, ou podem se chocar com o núcleo do urânio-238 e serem absorvidos.

Para reduzir essa possibilidade, usa-se como combustível do reator o urânio enriquecido, que contém uma percentagem maior de urânio-235 do que o urânio natural. O enriquecimento se obtém por vários processos, como, por exemplo, difusão gasosa. Como os recursos de urânio-235 existentes no mundo são limitados, projetaram-se reatores regeneradores capazes de converter urânio não-fissionável e outros elementos em isótopos fissionáveis.

Moderadores

A maioria dos reatores comerciais de potência requer um moderador para reduzir a velocidade dos nêutrons, de forma a aumentar a possibilidade de que eles consigam fissionar o urânio-235. Substâncias como a água, o óxido de deutério (água pesada) e a grafita foram consideradas moderadores eficazes porque conseguem reduzir a velocidade dos nêutrons durante o processo de fissão sem reduzir muito seu número por absorção.

Barras de controle

O controle sobre a taxa de emissão de nêutrons, e portanto sobre a reação, se faz mediante a introdução no núcleo dos reatores de materiais que absorvem os nêutrons. Esses materiais, que podem ser barras de cádmio ou boro, são retirados gradualmente do núcleo do reator antes que uma reação em cadeia se inicie.

Elas são reintroduzidas sempre que a série de fissões começa a se realizar a alta velocidade, o que poderia resultar na liberação de uma quantidade excessiva de energia e radiação, causando assim a fusão do núcleo.

Refrigerantes

O calor liberado pelas fissões é removido do núcleo do reator por uma substância refrigerante, que pode ser líquida ou gasosa. Os refrigerantes devem ter boas propriedades de transferência de calor, assim como fraca propriedade de absorver nêutrons. Tanto a água leve (comum) quanto a pesada são empregadas como refrigerantes, o que ocorre também com metais líquidos (sódio, por exemplo), hélio e várias outras substâncias.

Estrutura de contenção

À medida que a reação em cadeia prossegue, os produtos da fissão se acumulam no núcleo do reator. A maioria desses fragmentos é altamente radioativa e emite raios gama e nêutrons. Para proteger os operadores da usina e outras pessoas próximas da radiação desses fragmentos, e da radiação produzida diretamente pelo processo de fissão, o reator é cercado por paredes e um piso de concreto bastante espesso, que constituem a estrutura de contenção.

Rejeitos

O manipulação dos produtos radioativos da fissão é um problema mais difícil de resolver do que a contenção do núcleo do reator. Alguns desses resíduos nucleares se mantêm perigosamente radioativos por milhares de anos e, portanto, devem ser eliminados ou armazenados de forma permanente. Ainda não foi descoberto, no entanto, um método prático e seguro de tratamento desses resíduos.

Segurança

Como acontece a toda atividade humana, a produção de energia nuclear não pode ser considerada absolutamente isenta de riscos. As medidas preventivas visam, portanto, minimizar o risco de acidentes. Estudos realizados nos Estados Unidos na década de 1970 concluíram que era extremamente baixo o risco de um acidente numa usina nuclear atingir grande número de pessoas. Em 1979, porém, uma unidade da usina de Three Mile Island sofreu um grave acidente. Por uma combinação de erros de operadores da usina, associados à falha de uma válvula, a água refrigerante se perdeu e algumas partes do núcleo do reator fundiram.

Grande quantidade de produtos de fissão foi liberada do reator para o interior da estrutura de contenção, que conseguiu reter a maior parte da radioatividade. A pequena quantidade que escapou teve sérias conseqüências.

Após as investigações, ficou claro que o elemento humano é muito mais importante como fator de segurança numa usina nuclear do que se havia reconhecido até então. Por essa razão, foram introduzidas várias mudanças no treinamento de operadores, técnicos e inspetores. Essas mudanças foram consideradas eficazes para reduzir a probabilidade de ocorrência de acidentes graves quanto o de Three Mile Island, mas aumentaram sensivelmente os custos de operação das usinas nucleares.

A questão da importância do elemento humano para o correto funcionamento das usinas nucleares voltou a ser debatida após a catástrofe de Tchernóbil, em 1986. Um dos quatro reatores da usina explodiu e pegou fogo. Antes que a situação pudesse ser controlada, 31 pessoas haviam morrido. Aproximadamente 25% do conteúdo radioativo do reator vazou, 135.000 pessoas tiveram que ser evacuadas do local e uma imensa área na vizinhança da usina foi de tal forma contaminada pela radioatividade que não pode mais ser cultivada. Na época, estimou-se que de quatro mil a quarenta mil casos de câncer resultariam desse acidente.

Fonte: www.geocities.com

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