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Fissão Nuclear

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O desenvolvimento das aplicações da fissão e da fusão nucleares, em particular as armas nucleares teve profundo efeito sobre nossas vidas nos últimos 45 anos. As aplicações pacíficas destas reações podem ter maior influência no futuro.

Na natureza observa-se que os núcleos atômicos de elementos muito pesados (número atômico maior que 92) estão sujeitos a fissão espontânea, ou seja, dividem-se em 2 outros núcleos, mesmo quando não estão sujeitos a perturbações externas.

Podemos entender o fenômeno pela consideração de uma analogia entre o núcleo e uma gota líquida carregada eletricamente. Se a gota não for muito grande, a tensão superficial pode superar as forças repulsivas das cargas elétricas existentes na gota e impedir que ela se divida. Há no entanto um tamanho máximo, além do qual a gota será instável e espontaneamente se dividirá. A fissão espontânea estabelece um limite superior para o tamanho de um núcleo e, portanto, para o número de elementos químicos que podem existir na natureza.

Alguns núcleos pesados, Urânio e Plutônio em especial, podem sofrer fissão pela captura de nêutrons. Na fissão do 235U por exemplo, o núcleo fica excitado pela captura de um nêutron e se divide em dois outros núcleos, emitindo diversos nêutrons. A força de repulsão elétrica provoca a separação dos fragmentos de fissão, com energia que acaba se transformando em energia térmica.

A fissão do Urânio foi estudada em 1939 por O. Hahn e F. Strassman, que descobriram, mediante análise química cuidadosa, que no bombardeamento do Urânio por nêutrons se formavam elementos de massa média ( como o bário e o lantânio). A descoberta da emissão de vários nêutrons no processo de fissão levou imediatamente à investigação da possibilidade de estes nêutrons emitidos provocarem outras fissões estabelecendo assim uma reação em cadeia.

O processo de fissão é um tanto semelhante ao da oscilação de uma gota líquida, como mostra a figura abaixo. Se as oscilações forem bastante intensas, a gota se divide em duas.

Fissão Nuclear

Quando o 235U captura um nêutron, o 236U resultante sofre fissão em 85% dos casos e desexcitação emitindo um raio gama em 15% dos casos.

Uma reação de fissão típica é:

n + 235U à 141Ba + 92Kr + 3n

A energia média liberada na fissão de 1 grama de 235U é da ordem de 104 kW.h.

( Extraído e Adaptado de: Tipler, P.A.; Ótica e Física Moderna, vol. 4, 1991.)

Fonte: www.consulteme.com.br

Fissão Nuclear

O que é

A fissão nuclear é uma reação em que um grande núcleo se rompe em dois núcleos menores, liberando uma grande quantidade de energia.

Núcleos podem fissão por conta própria de forma espontânea, mas apenas alguns núcleos, como o urânio-235 e plutônio-239, pode sustentar uma reação em cadeia de fissão. Isso ocorre porque esses núcleos liberam nêutrons quando eles quebram, e esses nêutrons pode bater em outros núcleos, fazendo com que eles também quebram e liberam mais nêutrons.

O urânio-235 é o combustível de escolha em todos os reatores comerciais (e até mesmo um reator naturais ). O combustível de urânio é embalado para o núcleo e, geralmente, rodeado por um moderador, que é uma substância que retarda os nêutrons para que eles tenham uma melhor chance de induzir a fissão.

Uma vez que a reação em cadeia começa a andar, o calor do núcleo é normalmente usado para ferver água e acionar uma turbina a vapor. A reação em cadeia pode ser retardado e até mesmo desligado através da introdução de barras de controle, que contêm materiais que absorvem nêutrons.

A Fissão Nuclear

Na fissão nuclear, a energia é liberada pela divisão do núcleo normalmente em dois pedaços menores e de massas comparáveis – para núcleos pesados, existe a fissão em mais de dois pedaços, mas é muito rara, uma em 1 milhão para urânio.

Pela lei de conservação de energia, a soma das energias dos novos núcleos mais a energia liberada para o ambiente em forma de energia cinética dos produtos de fissão e dos nêutrons liberados deve ser igual à energia total do núcleo original.

A fissão do núcleo raramente ocorre de forma espontânea na natureza, mas pode ser induzida se bombardearmos núcleos pesados com um nêutron, que, ao ser absorvido, torna o núcleo instável.

O 235U, por exemplo, ao ser bombardeado com um nêutron, fissiona em dois pedaços menores, emitindo normalmente dois ou três nêutrons (figura 1). 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.

Esse processo sucessivo é chamado reação em cadeia (figura 2, abaixo). Controlando-se o número de nêutrons produzidos e a quantidade de 235U, pode-se controlar a taxa de fissão ao longo do tempo. Essa reação em cadeia, denominada controlada, é o processo utilizado em um reator nuclear. Já em uma bomba atômica, as fissões ocorrem todas em um intervalo de tempo muito curto, gerando uma enorme quantidade de energia e provocando a explosão.

Fissão Nuclear

O que torna o urânio conveniente para uso como combustível é a grande quantidade de energia liberada por esse elemento ao se fissionar.

Fonte: www.biodiselBR.com

Fissão Nuclear

Fissão Nuclear é uma forma especial de reação atômica em que os núcleos dos elementos pesados, o urânio ou o plutônio por exemplo, ao absorverem o nêutron passam a um estado de forte excitação.

Passado um curto período dividem-se em dois fragmentos, que são os núcleos dos átomos dos elementos, situados a meio da tabela periódica de Mendeleieff, lançando neste caso uma série de partículas em leque: elétrons, fóto ns, raios gama e dois ou três nêutrons rápidos. Também se liberta a energia cinética dos fragmentos que se dispersam e de outras partículas de 200 MeV aproximadamente. Alguns nêutrons livres que ficam em excesso para os núcleos dos novos átomos formados, podem em certas condições, começar cada um a sua cadeia de fissões dos núcleos vizinhos dos átomos de urânio ou plutônio, em conseqüência do que pode surgir na massa destas substâncias uma reação de fissão nuclear em cadeia automultiplicada.

A fissão rios núcleos, dos átomos, dos elementos pesados, tem lugar não apenas pela absorção de nêutrons, mas também devido à radiação de outras partículas aceleradas até energias muito altas: prótons, dêuterons, partículas alfa, quantas-gama, etc.

Contudo, só um tipo de fissão teve uma ampla aplicação industrial: fazendo incidir sobre as substâncias cindíveis um fluxo de nêutrons em instalações especiais: em reatores nucleares.

Existe mais um tipo de fissão, a chamada fissão espontânea dos núcleos dos átomos de urânio, descoberta em 1940 pelos físicos soviéticos K. T. Petrzhak e G. N. Flerov, quando alguns dos núcleos de urânio, sem nenhuma influência exterior aparente, se dividem espontaneamente em dois. Isto ocorre com pouca freqüência, nunca mais de 20 fissões, por hora. Contudo, em outras condições favoráveis, que se criam habitualmente nos reatores nucleares, é completamente suficiente para provocar uma reação nuclear em cadeia, sem necessidade de recorrer a qualquer fonte exterior de nêutrons.

Fissão Nuclear

Para ter uma idéia clara do mecanismo da fissão do núcleo atômico de um elemento pesado, por exemplo do urânio, com a absorção do nêutron, já nos anos 30 o físico soviético Y. I. Frenkel, e nos Estados Unidos Wiler, propuseram o chamado modelo de gota da estrutura do núcleo atômico, isto é, um modelo que recorda o comportamento da gota líquida carregada de ele t ricidade positiva. As partículas, nucle ons (pr ótons e n êutrons ) de que se compõe o núcleo, estão nele distribuídas da mesma forma e segundo as leis muito semelhantes às das moléculas na gota esférica de um líquido. As cargas elét ricas das moléculas do líquido com a mesma carga repelem – se com bastante energia, em conseqüência do que as moléculas estão debilmente ligadas entre si e são muito móveis, mas a gota em conjunto é líquida e procura rinchar», rasgar – se. Os prótons do núcleo esférico do átomo carregados positivamente repelem – se aproximadamente da mesma fo rma e esforçam – se por afastar – se.

Mas na gota do líquido a t uam também outras forças. Esta é a tensão superficial da sua película mole cular exterior, que sustenta as moléculas do liquido, em conseqüência do que toma a única forma possível de gota rigorosa mente esférica para as partículas muito móveis e debilmente ligadas entre si.

Contudo, as forças da tensão superficial têm limites de a ç ão muito estreitos, que dependem das propriedades do líquido: densidade, viscosidade, etc. Por isso as dimensões da got a também não ultrapassam uma grandeza limite.

Nisto se pode encontrar uma analogia muito próxima com as forças nucleares que retêm as partículas, principalmente os prótons , num pequeno volume do núcleo, e nem com uma força extraordinária lhes permitem escaparem – se. Também existe uma fronteira bem marcada na ação destas forças nucleares (aproximadamente dois diâmetros do núcleo atômico ), além da qual mesmo estas forças de uma extraordinária potência não são suficientes para superar as enormes forças de repulsão eletrostática.

Quando a gota adquire dimensões superiores àquelas que a tensão superficial de um certo líquido é capaz de manter, divide – se devido à ação das forças elétricas moleculares de repulsão. Mas isto não sucede de repente, primeiro deforma – s e, alarga – se, depois contrai a parte média, toma a forma de pesos e divide por fim em duas partes.

O mesmo sucede quando no núcleo do átomo choca um nêutron em excesso, então o núcleo passa a um estado de excitação. Quando isto sucede o movimento das partículas que formam este núcleo acelera – se violentamente devido à energia exterior trazida que é igual a 7 MeV; ou, o que é o mesmo, aumenta bruscamente a temperatura da substância do núcleo. O núcleo, sacudido por um número crescente de impact os, parece inchar, e em determinado momento uma das suas partes «espreme – se» para o exterior, encontrando – se na zona do enfraquecimento da ação das forças nucleares interiores da retenção. Altera – se no núcleo o equilíbrio das forças de repulsão e de atração; as forças de repulsão dos prótons começam a exceder as forças do núcleo. Este perde a sua forma esférica, alarga – se, estreita num ponto e, convertendo – se em «pesos», acaba por dividir – se em dois. As suas duas metades, que se transformaram em núcleos atômicos de elementos médios afastam – se com enorme velocidade, transportando cerca de 200 MeV de energia cinética. A divisão em três ou quatro partes ocorre com pouca freqüência.

Estas partes, que se encontram supersaturadas de nêutrons , expelem – nos e, sofrendo várias fissões beta consecutivas (emitindo elét rons ), transformam – se em núcleos já estáveis de átomos dos elementos médios da tabela de Mendeleieff.

Fonte: www.fisica.net

Fissão Nuclear

A palavra fissão significa partição, quebra, divisão. Fissão nuclear é a quebra de um núcleo atômico pesado e instável através de bombardeamento desse núcleo com nêutrons moderados, originando dois núcleos atômicos médios, mais 2 ou 3 nêutrons e uma quantidade de energia enQrme. Enrico Fermi, em 1934, bombardeando núcleos com nêutrons de velocidade moderada, observou que os núcleos bombardeados capturavam os nêutrons. Pouco tempo depois, após o bombardeamento de urânio com nêutrons moderados, a equipe do cientista alemão OttO Hahn constatou a presença de átomos de bário, vindo a concluir que, após o bombardeio, núcleos instáveis de urânio, partiam-se praticamente ao meio.

Como os nêutrons não possuem carga elétrica, n~o sofrem desvio de sua trajetória, devido ao campo elétromagnético do átomo.

Estando muito acelerado, atravessariam completamente o átomo; estando a uma velocidade muito lenta, seriam rebatidos; mas com velocidade moderada, ficam retidos, e o novo núcleo formado, instável, sofre desintegração posterior com emissão de partículas beta. Somente alguns átomos são capazes de sofrer fissão, entre eles o urânio-235 e o plutônio.

A enorme quantidade de energia produzida numa fissão nuclear provém da transformação da matéria em energia. Na fissão nuclear há uma significativa perda de massa, isto é, a massa dos produtos é menor que a massa dos reagentes.

Tal possibilidade está expressa na famosa equação de Einsten: E=mc², onde E é energia, m massa e c a velocidade da luz no vácuo.

No processo de fissão, cerca de 87,5% da energia liberada aparece na forma de energia cinética dos produtos da fissão e cerca de 12,5% como energia eletromagnética. Reação em cadeia e massa crítica. Esse bombardeamento do núcleo de um átomo com um nêutron causa a fissão do núcleo desse átomo e a liberação de 2 ou 3 novos nêutrons. A reação em cadeia só ocorre acima de determinada massa de urânio.

A mesma ocorre com velocidade máxima quando a amostra do material físsil é grande suficiente para a maioria dos dos nêutrons emitidos ser capturados por outros núcleos. Portanto, a ração em cadeia se mantém, se a massa do material é superior a um certo valor característico chamado massa crítica. Para o urânio-235 a massa crítica é de aproximadamnete 3,25 Kg.Alguns elementos químicos, como o boro, na forma de ácido bórico ou de metal, e o cadmio, em barras metálicas, têm a propiedade de absorver nêutrons, porque seus núcleos podem conter ainda um número de nêutrons superior ao existente em seu estado natural, resultando na formação de isótopos de boro e de cádmio.

A grande aplicação do controle da reação de fissão nuclear em cadeia é nos Reatores Nucleares. para geração de energia elétrica.

A grande vantagem de uma Central Térmica Nuclear é a enorme quantidade de energia que pode ser gerada. ou seja. a potência gerada. para pouco material usado (o urânio).

Uso

Fissão Nuclear
E. Schrödinger (1887 – 1961)

Para a utilização prática da energia nuclear, recorre-se a uma reação chamada fissão nuclear. A palavra fissão significa separação, cisão, quebra. A energia nuclear é a energia que mantém unidas as partículas constituintes do núcleo atômico. Assim, a energia nuclear pode ser liberada, quebrando-se o núcleo de um átomo. Ela é provocada por um nêutron, quando este é capturado por um núcleo de grande massa atômica, como o do isótopo 235 do urânio. Depois da captura do nêutron, o núcleo se divide em dois outros, cada um com cerca da metade da massa original, com emissão de dois ou três nêutrons e liberação de uma grande quantidade de energia. São esses nêutrons que, capturados por outros núcleos, produzem a reação em cadeia, que, uma vez iniciada, se mantém no interior de um reator nuclear a fissão.

Fissão Nuclear

Nas usinas termonucleares, a energia térmica que vaporiza a água da caldeira é conseguida através da fissão controlada do urânio 238 e do urânio 235, dependendo do tipo de reator da usina.

Na fissão nuclear, a reação em cadeia é um processo extremamente rápido, quando não controlado. As explosões de bombas atômicas acontecem por fissão nuclear não controlada.

Fonte: br.geocities.com

Fissão Nuclear

Definição da fissão nuclear

A fissão nuclear é uma reação nuclear em que um núcleo atômico pesado, como o urânio, divide em dois núcleos mais leves.

Outras partículas, como prótons e nêutrons livres, bem como grandes quantidades de energia e radiação eletromagnética, são produzidos durante as reações de fissão.

A fissão nuclear é a reação que é usada hoje para produzir eletricidade em um reator nuclear.

O poder explosivo de uma bomba atômica é o resultado de uma reação muito rápida em cadeia de fissão. Por grama de combustível, fissão produz mais de dez milhões de vezes a energia de uma reação química típica, como gasolina em chamas ou até mesmo explodir TNT.

As reações nucleares produzem resíduos radioativos como um subproduto, que pode continuar a ser um sério problema de saúde por muitos milhares de anos.

A Fissão Nuclear

Na fissão nuclear, um átomo de um elemento é dividido produzindo dois átomos de menores dimensões de elementos diferentes.

A fissão de urânio 235 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, que resulta na libertação contínua de energia.

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 perdida: Einstein demonstrou que massa e energia são duas equivalentes. Portanto, a massa perdida durante a cisão reaparece sob a forma de energia.

Einstein resumia esta equivalência na famosa equação:

E=mc²

onde 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.

História da fissão do U-235

Na década de 1930, os físicos alemães Otto Hahn / químicos e Fritz Strassman tentou criar elementos transuranianos bombardeando o urânio com nêutrons.

Em vez de os elementos pesados que esperavam, eles têm vários produtos não identificados.

Quando eles finalmente identificou um dos produtos como bário-141, eles estavam relutantes em publicar a descoberta, porque foi tão inesperado.

Quando eles finalmente publicou os resultados em 1939, que chamou a atenção de Lise Meitner, um físico nascido na Áustria que havia trabalhado com Hahn em seus experimentos nucleares.

Após a invasão da Áustria por Hitler, que tinha sido forçado a fugir para a Suécia, onde ela e Otto Frisch, seu sobrinho, continuou a trabalhar sobre o problema bombardeamento de nêutrons. Ela foi a primeira a perceber que bário de Hahn e de outros produtos mais leves dos experimentos de bombardeamento de nêutrons vinham da fissão do U-235.

Frisch e Meitner realizadaram mais experimentos que mostraram que a fissão do U-235 rendeu uma enorme quantidade de energia, e que a fissão rendeu pelo menos dois nêutrons por nêutrons absorvidos na interação. Eles perceberam que este tornou possível uma reação em cadeia com um rendimento de energia sem precedentes.

Fonte: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu

Fissão Nuclear

Fissão nuclear é o processo pelo qual um núcleo de número de massa grande se divide em dois fragmentos de números de massa comparáveis.

Os núcleos com número de massa grande estão sujeitos à fissão espontânea com uma probabilidade muito pequena e sujeitos à fissão induzida artificialmente com uma probabilidade bem maior. Pode-se induzir a fissão de um núcleo excitando-o com uma energia de pelo menos 4 a 6 MeV ou bombardeando-o com nêutrons, desde que um desses nêutrons seja capturado e que a soma da sua energia cinética com a sua energia de ligação ao núcleo seja maior do que o limiar de energia para a fissão.

Fissão Nuclear

Por exemplo, um núcleo de urânio 235 pode sofrer fissão ao capturar um nêutron mesmo que ele tenha uma energia cinética muito baixa, da ordem de 0,025 eV (nêutron lento ou térmico), e um núcleo de urânio 238 pode sofrer fissão ao capturar um nêutron desde que ele tenha uma energia cinética grande, da ordem de 1 MeV (nêutron rápido). Essa diferença se deve à energia de pareamento.

O núcleo do urânio 235 tem um número de prótons par e um número de nêutrons ímpar. O emparelhamento do nêutron capturado com o nêutron ímpar do núcleo libera uma energia adicional de cerca de 0,57 MeV. O núcleo do urânio 238 tem número par de prótons e de nêutrons, de modo que o nêutron capturado não pode se emparelhar e, então, não existe energia de emparelhamento a ser liberada.

Outro exemplo de fissão acontece quando um próton com uma energia cinética de 0,15 MeV penetra e é absorvido por um núcleo de lítio 7:

 p + 7Li3 Fissão Nuclear [ 8Be4 ] Fissão Nucleara + a

O núcleo composto formado contém 8 núcleons, 4 nêutrons e 4 prótons, e sendo instável, quase imediatamente se separa em dois fragmentos (partículas a), cada um com 2 nêutrons e 2 prótons e uma energia cinética de 8,5 MeV. A energia cinética dos fragmentos da fissão é muito maior do que a energia cinética da partícula que iniciou o processo.

Aqui cabe a seguinte observação. A fissão do lítio 7 parece contradizer a regra que diz que a fissão nuclear com liberação de energia só ocorre se o número de núcleons dos núcleos resultantes é maior ou da ordem de 56, já que a curva E / A contra A tem máximo em A 56. Contudo, com um exame detalhado do gráfico E / A contra A pode-se perceber que o ponto correspondente ao lítio 7 está à direita de um ponto de máximo local que corresponde ao hélio 4 e a fissão do lítio 7 origina dois núcleos de hélio 4.

O processo de fissão pode ser entendido do seguinte modo. O núcleo original e o nêutron absorvido formam o núcleo composto, que já nasce num estado excitado e com a energia de excitação colocada em modos coletivos de vibração.

Fissão Nuclear

Se a energia de excitação é suficientemente grande, numa dessas vibrações coletivas o núcleo composto pode assumir uma forma com dois blocos de núcleons separados por uma estreita ponte. E se, entre esses blocos, a repulsão coulombiana de longo alcance entre os prótons for mais importante que a interação nuclear atrativa de curto alcance, o núcleo composto se fragmenta.

Se a energia de excitação é baixa, as vibrações coletivas do núcleo composto não o levam a uma forma muito diferente da sua forma quando no estado fundamental e eventualmente a energia de excitação é liberada com a emissão de radiação g.

O núcleo composto vai, então, ao seu estado fundamental e o processo como um todo não passou de uma captura radioativa de um nêutron e pode ser representado por:

 AXZ + n Fissão Nuclear [ A + 1XZ ] Fissão NuclearA + 1XZ + g

A captura de um nêutron lento pelo urânio 238 desencadeia o seguinte processo:

 238U92 + n Fissão Nuclear [ 239U92 ] Fissão Nuclear239Np93 + e + n* + g

    239Np93 Fissão Nuclear239Pu94 + e + n* + g

ou seja, a captura de um nêutron lento pelo urânio 238 resulta em um núcleo radioativo de netúnio 239 que, por sua vez, decai num núcleo radioativo de plutônio 239. Esse processo é o responsável, em certos reatores nucleares, pela produção de grandes quantidades de plutônio. O núcleo de plutônio 239 é outro exemplo de núcleo que sofre fissão com a captura de um nêutron lento.

Como um núcleo composto pode decair por qualquer processo que não viole os princípios de conservação, o urânio 235, por exemplo, pode sofrer vários tipos de fissões:

235U92 + n Fissão Nuclear 97Rb37 + 137Cs55 + 2n
  97Zr40 + 137Te52 + 2n
  94Sr38 + 140Xe54 + 2n
  87Br35 + 143La57 + 6n
  92Kr36 + 141Ba56 + 3n

Entre os produtos dessas fissões incluem-se fótons g. A energia cinética total dos produtos é sempre da ordem de 200 MeV.

Energia Liberada na Fissão

Já foi discutido que o processo de fissão vem acompanhado de liberação de energia porque a energia de ligação por núcleon é menor no núcleo que se fissiona do que nos núcleos fragmentos. Tomando como exemplo a reação de fissão de um núcleo de urânio 235 em um núcleo de rubídio 97 e um núcleo de césio 137 foi visto que era liberada uma energia de 155,8 MeV. O cálculo foi o possível de ser feito a partir do gráfico E / A contra A. Na realidade, a energia total liberada na reação é maior porque os núcleos resultantes são instáveis e decaem, posteriormente, por emissão de elétrons, neutrinos e raios g. Assim, a energia liberada na fissão de um núcleo de urânio chega a ser de aproximadamente 200 MeV e aparece como energia cinética nos fragmentos principais e nos nêutrons, elétrons e neutrinos liberados e como a energia do campo eletromagnético que constitui os raios g.

Reação em Cadeia

Para cada nêutron absorvido na fissão de um núcleo são emitidos, em média, mais de dois nêutrons. Para se ter uma idéia do motivo pelo qual esses nêutrons são emitidos considere-se a fissão do urânio 236, núcleo composto formado pela absorção de um nêutron pelo urânio 235. Para esse núcleo composto, N / Z 1,57. Logo após a fissão, os fragmentos devem possuir razões N / Z aproximadamente iguais àquela do núcleo que lhes deu origem. Se os fragmentos são o molibdênio (Z = 42) e o estanho (Z = 50), os correspondentes números de nêutrons devem ser 42 x 1,57 66 e 50 x 1,57 78 e os correspondentes números de massa, 108 e 128. Para os números atômicos dados (42 e 50), os núcleos estáveis têm frações N / Z menores que 1,57. Assim, os núcleos fragmentos devem perder nêutrons para se aproximar (com o mesmo Z) da região de núcleos estáveis, ou seja diminuir a razão N / Z. Na verdade, o núcleo composto, ao se fissionar, já o faz com a emissão de alguns nêutrons justamente para que os fragmentos tenham menos nêutrons e sua razão N / Z esteja mais próxima do valor de estabilidade.

Se pelo menos um desses nêutrons provoca fissão em outro núcleo e, dos nêutrons emitidos nessa nova fissão, pelo menos um provoca outra fissão, e assim por diante, tem-se uma reação em cadeia. Num reator nuclear, o número de nêutrons disponíveis para novas fissões é controlado de modo que, em média, apenas um nêutron por fissão origina nova fissão. Numa bomba atômica (bomba A), ao contrário, o número de nêutrons disponíveis para novas fissões não é controlado de modo que, em média, mais de um nêutron por fissão origina novas fissões. Com isso, o número de fissões cresce exponencialmente com o tempo e o resultado é conhecido.

A fissão do urânio 235, por exemplo, produz diferentes pares de núcleos filhos e sempre, entre os produtos, existem nêutrons. Portanto, em princípio, a fissão do urânio 235 pode ser sustentada numa reação em cadeia. Contudo, os nêutrons que fazem parte dos produtos têm energias cinéticas de cerca de 1 MeV enquanto que o nêutron, para iniciar a fissão, deve ser um nêutron térmico, ou seja, deve ter uma energia cinética de cerca de 0,03 MeV. Assim, os nêutrons que fazem parte dos produtos iniciam novas reações de fissão com uma probabilidade muito pequena e efetivamente não podem manter uma reação em cadeia. Nos reatores nucleares [ver abaixo] existem substâncias, chamadas moderadores, cuja função é reduzir a energia cinética dos nêutrons resultantes das fissões até o ponto de torná-los térmicos, sem absorvê-los. Aí, então, eles podem sustentar uma reação em cadeia.

A reação:

p + 7Li3 Fissão Nuclear [ 8Be4 ] Fissão Nuclear a + a

não pode formar uma reação em cadeia porque, entre os produtos, nem existem prótons, que são os iniciadores da reação, nem as partículas a produzidas podem induzir fissões de núcleos de lítio 7.

Massa Crítica

Os nêutrons resultantes das fissões numa amostra de material fissionável devem ter suas energias cinéticas reduzidas até se tornarem nêutrons térmicos antes de escapar da amostra, caso contrário não poderão iniciar novas fissões para manter a reação em cadeia. Assim, a amostra deve ter uma massa mínima para que os nêutrons, por colisões com os núcleos dos átomos da substância que constitui a amostra em questão, percam a quantidade de energia necessária. A massa suficiente para manter a razão entre o número de nêutrons produzidos e o número de nêutrons que iniciam novas fissões maior que 1 é a massa crítica dessa substância. Com essa razão maior do que 1 o número de fissões cresce exponencialmente e a amostra explode.

Reatores Nucleares

Reator nuclear é qualquer sistema físico onde se produz e se controla uma reação nuclear de fissão em cadeia. Os reatores que utilizam diretamente os nêutrons liberados em cada fissão para produzir novas fissões são chamados reatores rápidos porque os nêutrons em questão têm uma energia cinética alta, de cerca de 1 MeV. Os reatores onde os nêutrons liberados em cada fissão têm sua energia cinética diminuída para um valor menor que cerca de 0,1 MeV antes de produzir novas fissões são chamados reatores térmicos. Os nêutrons têm sua energia cinética diminuída por colisões com os núcleos dos átomos de uma substância chamada moderador até o ponto de entrar em equilíbrio térmico com ela. A água pesada e o carbono (na forma de grafite) são as substâncias usualmente utilizadas como moderadores. Água pesada é a água onde o átomo de hidrogênio usual é substituído por um átomo de deutério.

Fissão Nuclear

Seja, por exemplo, um reator térmico de água em ebulição. O combustível é o material fissionável, que pode ser urânio natural, com cerca de 0,7% de urânio 235, ou urânio enriquecido, com uma proporção maior de 0,7% de urânio 235, ou, ainda, plutônio. O combustível vai dentro de tubos metálicos, constituindo os elementos combustíveis. O conjunto dos elementos combustíveis forma o núcleo do reator. O moderador aparece ao redor dos elementos combustíveis e deve ser uma substância de número de massa pequeno, que pouco ou nada absorva dos nêutrons liberados nas fissões. Se o combustível for urânio enriquecido, pode ser água, e se for urânio natural, água pesada ou grafite. O controle da reação em cadeia é feito através de um conjunto de hastes que podem ser introduzidas e removidas do núcleo do reator e são constituídas de boro, háfnio ou cádmio, substâncias que absorvem nêutrons. Com a energia liberada pelas fissões, a temperatura do núcleo do reator e do moderador tende a aumentar continuamente. Nos reatores de água em ebulição, faz-se circular água por um circuito fechado que inclui o núcleo do reator, as turbinas e um condensador. Em contato com o núcleo do reator, a água líquida, absorvendo a energia liberada nas fissões, se transforma em vapor. O vapor é conduzido às turbinas onde se expande contra as pás, provocando movimento de rotação. Saindo das turbinas, o vapor entra no condensador, onde se transforma em água líquida. Do condensador, a água líquida é bombeada ao núcleo do reator e o ciclo recomeça. No condensador, um líquido refrigerante é bombeado para uma serpentina imersa no vapor. Entrando com uma temperatura baixa, o refrigerante absorve parte da energia do vapor, que se transforma, assim, em água líquida. O refrigerante sai da serpentina com uma temperatura maior do que aquela com que entrou. As turbinas fazem girar os rotores dos geradores e estes produzem, então, energia elétrica que é distribuída pelas linhas de transmissão.

Materiais Fissionáveis

Normalmente, uma amostra natural de urânio contém cerca de 99,3% de urânio 238, não fissionável, e cerca de 0,7% de urânio 235, fissionável. Como o urânio 238 é um bom absorvedor de nêutrons com energias cinéticas de cerca de 5 eV, ele tende a absorver os nêutrons produzidos na fissão do urânio 235 e se constitui, portanto, em um obstáculo à reação em cadeia. O uso efetivo do urânio como combustível nuclear requer que se retire parte do urânio 238 das amostras de urânio natural. Uma amostra de urânio com uma abundância maior do que cerca de 0,7% de urânio 235 é dita enriquecida. Os processos de enriquecimento são muito caros.

Outro material fissionável é o plutônio 239, que também se fissiona como o urânio 235 por captura de um nêutron lento (térmico).

O plutônio 239 não existe na natureza mas pode ser produzido num reator nuclear por um processo baseado nas seguintes reações:

238U92 + n Fissão Nuclear [ 239U92 ] Fissão Nuclear 239Np93 + e- + n* + g

239Np93Fissão Nuclear 239Pu94 + e- + n* + g

Nêutrons com energias cinéticas de cerca de 1 MeV, resultantes de fissões de núcleos de urânio 235 em reatores nucleares, são freados até terem energias cinéticas de cerca de 5 eV. Com tais energias, os nêutrons são absorvidos por núcleos de urânio 238 que, então, se transformam em núcleos de urânio 239, altamente instáveis. Estes núcleos de urânio 239, por decaimento b-, se transformam em núcleos de netúnio 239. Os núcleos de netúnio 239 são radioativos e com uma meia vida de 2,3 dias se transformam em núcleos de plutônio 239 também por decaimento b-. Esse processo é o responsável, em certos reatores nucleares, pela produção de grandes quantidades de plutônio.

O plutônio 239 sofre decaimento a com uma meia vida de cerca de 25.000 anos (e por isso pode ser útil como material fissionável):

239Pu94 Fissão Nuclear235U92 + a

É muito difícil a separação do urânio 238 do urânio 235 numa amostra natural de urânio porque eles têm propriedades químicas semelhantes. Contudo, quando núcleos de urânio 238 absorvem nêutrons, eles se tranformam em núcleos de plutônio 239, de modo que a amostra original passa a conter também esse elemento.

A separação do plutônio do urânio é mais fácil porque eles têm propriedades químicas diferentes.

Uma última observação

O urânio tem número atômico Z = 92. Qualquer elemento com Z > 92 é chamado transurânico. O netúnio e o plutônio são elementos transurânicos. Existem outros elementos transurânicos e todos são radioativos e artificiais.

Fonte: www.ufsm.br

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