Ciências da Natureza e suas Tecnologias - Física

Ensino Médio, 3ª Série

FUSÃO E FISSÃO NUCLEAR

FÍSICA, 30 anoFusão e fissão nuclear

Sumário

1. Introdução: Interações fundamentais e física de partículas

2. Energia Nuclear 2.1 Fissão nuclear 2.2 Reação em cadeia 2.3 Enriquecimento de Urânio 2.4 Controle da reação nuclear em cadeia 2.4 Fusão Nuclear e o processo de produção de energia no Sol

3. O acidente nuclear de Chernobyl

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1. Introdução: Interações fundamentais e física de partículas

Até os dias atuais, só foram detectados 4 tipos de forças fundamentais na natureza, eis elas:

Força Eletromagnética

Força Gravitacional

Força Nuclear Fraca

Força Nuclear Forte

Imagem: Autor: Sav vas, Francesco Rollandin / Public Domain Imagem: Autor: Lsmpascal / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported

Imagem: Fissão nuclear do Uranio 235 / Autor: Stefan-Xp / GNU Free Documentation License

Imagem: Composição de um próton / Autor: E2M / Public Domain

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O nosso objeto de estudo estará na força nuclear forte. Vamos entender o porquê.

Por muito tempo, pensou-se que o átomo seria a menor porção da matéria e teria uma estrutura compacta. Atualmente, sabemos que o átomo é constituído por partículas menores (sub-atômicas), distribuídas numa forma semelhante a do Sistema Solar.

Existe um núcleo, onde fica concentrada a massa do átomo,

equivalente ao Sol, e minúsculas partículas que giram em seu redor, denominadas elétrons, correspondentes aos planetas. Os elétrons são partículas de carga negativa e massa muito pequena. O átomo possui também, como o Sistema Solar, grandes espaços vazios, que podem ser atravessados por partículas menores que ele. [1]

Imagem: Modelo de átomo por Ernest Rutherford./ Autor: Cburnett / GNU Free Documentation License

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O núcleo do átomo é constituído de partículas de carga positiva, chamadas prótons, e de partículas de mesmo tamanho, mas sem carga, denominadas nêutrons. Prótons e nêutrons são mantidos juntos no núcleo pela força nuclear forte.

A energia que mantém os prótons e nêutrons juntos no núcleo é a ENERGIA NUCLEAR, isto é, a energia de ligação dos nucleons (partículas do núcleo) [2].

1.6 fm = 1.6 x 10-15 m é a distância média entre um próton e um nêutron.

Imagem: Representação esquemática do núcleo como um conjuntp de prótons e nêutrons Autor: Cam-Ann/ Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported

Imagem: Da esquerda para direita: (1) Estrutura quark do próton (2) Estrutura quark do nêutron / Autor: Arpad Horvath/ GNU Free Documentation License

1.6 fm

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A força nuclear forte atua nas partículas que formam os prótons e nêutrons: os quarks.

Existem 6 tipos (também chamados de sabores) de quarks na natureza, como listados na figura abaixo:

O próton é composto por 2 quarks “up” e 1 quark “down”, enquanto o nêutron é composto por 1 quark “up” e 2 quarks “down”.

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2. Energia Nuclear

2.1 Fissão Nuclear

Uma vez constatada a existência da energia nuclear, restava descobrir como utilizá-la.

A forma imaginada para liberar a energia nuclear baseou-se na possibilidade de partir-se ou dividir-se o núcleo de um átomo pesado, isto é, com muitos prótons e nêutrons, em dois núcleos menores, através do impacto de um nêutron [3].

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A energia liberada dessa fissão será em forma de energia térmica (calor).

A divisão do núcleo de um átomo pesado, por exemplo, do urânio-235, em dois menores, quando atingido por um nêutron, é denominada fissão nuclear. Seria como jogar uma bolinha de vidro (um nêutron) contra várias outras agrupadas (o núcleo) [4].

2.2 Reação em cadeia

Na realidade, em cada reação de fissão nuclear resultam, além dos núcleos menores, dois a três nêutrons, como consequência da absorção do nêutron que causou a fissão. Torna-se, então, possível que esses nêutrons atinjam outros núcleos de urânio-235, sucessivamente, liberando muito calor. Tal processo é denominado reação de fissão nuclear em cadeia ou, simplesmente, reação em cadeia [5].

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Reação em cadeia Fissão nuclear1. Um átomo de urânio-235 absorve um

nêutron, ocorrendo a fissão em dois novos átomos (fragmentos da fissão), soltando três novos neutrons e energia de ligação;

2. Um desses nêutrons é absorvido por um átomo de urânio-238 e continua a reação. Outro nêutron é perdido, não colidindo com nada, continuando também a reação. Enquanto isso, o terceiro nêutron colide com um átomo de urânio-235, o qual, com a fissão, libera dois nêutrons e determinada energia de ligação;

3. Ambos os nêutrons colidem com átomos de urânio-235; cada fissão libera entre dois e três neutrons; e assim por diante.

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Existe uma animação que permite você simular uma fissão nuclear, “atirando” nêutrons em um núcleo de Urânio 235, bem como uma reação em cadeia. Segue o link para download:

http://pion.sbfisica.org.br/pdc/index.php/por/content/download/669/4771/nuclear-fission_pt_BR.jar

É necessário ter o aplicativo Java no computador. Para baixar tal aplicativo segue o link:

http://www.java.com/en/download/manual.jsp

Neste site, basta escolher o sistema operacional e fazer o download do programa Java.

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2.3 Enriquecimento de Urânio

O urânio-235 é um elemento químico que possui 92 prótons e 143 nêutrons no núcleo. Sua massa é, portanto, 92 + 143 = 235. Ele pode ser fissionado por nêutrons de qualquer energia cinética, preferencialmente os de baixa energia, denominados nêutrons térmicos (lentos) [6];

Além do urânio-235, existem, na natureza, em maior quantidade, átomos

com 92 prótons e 146 nêutrons (massa igual a 238). São também átomos do elemento urânio, porque têm 92 prótons, ou seja, número atômico 92. Trata-se do urânio-238, que só tem possibilidade de sofrer fissão por nêutrons de elevada energia cinética (os nêutrons rápidos);

Há Abundância de Urânio na natureza: para cada 1.000 átomos de urânio, 7 são de urânio-235 e 993 são de urânio-238 (a quantidade dos demais isótopos é desprezível) [7];

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Para ser possível a ocorrência de uma reação de fissão nuclear

em cadeia, é necessário haver quantidade suficiente de urânio-235, que é fissionado por nêutrons de qualquer energia [8];

Nos Reatores Nucleares do tipo PWR (Pressurized Water Reactor), é necessário haver a proporção de 32 átomos de urânio-235 para 968 átomos de urânio-238, em cada grupo de 1.000 átomos de urânio, ou seja, 3,2% de urânio-235;

O urânio encontrado na natureza precisa ser tratado industrialmente, com o objetivo de elevar a proporção (ou concentração) de urânio-235 para urânio-238, de 0,7% para 3,2%. Para isso deve, primeiramente, ser purificado e convertido em gás;

Se o grau de enriquecimento for muito alto (acima de 90%), isto é, se houver quase só urânio-235, pode ocorrer uma reação em cadeia muito rápida, de difícil controle, mesmo para uma quantidade relativamente pequena de urânio, passando a constituir-se em uma explosão: é a bomba atômica [9].

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2.4 Controle da reação nuclear em cadeia

Descoberta a grande fonte de energia no núcleo dos átomos e a forma de aproveitá-la, restava saber como controlar a reação em cadeia, que normalmente não pararia, até consumir quase todo o material físsil (= que sofre fissão nuclear), no caso o urânio-235 [10].

A forma de controlar a reação em cadeia consiste na eliminação do agente causador da fissão: o nêutron. Não havendo nêutrons disponíveis, não pode haver reação de fissão em cadeia. Alguns elementos têm a propriedade de serem bons absorvedores de nêutrons, sendo algum deles:

O boro na forma de ácido bórico ou de metal;

O cádmio em barras metálicas.

Isso devido a esses elementos ainda comportarem mais nêutrons nos seus núcleos, permitindo assim a criação de isótopos.

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A grande aplicação do controle da reação em cadeia é nos reatores nucleares, para a geração de energia elétrica [11]. A figura abaixo mostra o interior de um reator, onde essas barras representam aos materiais absorvedores dos nêutrons. Quando as barras descem totalmente, a reação é completamente interrompida.

Imagem: Desenho esquemático de barras de controle num reator nuclear. / Autor: Pbech / Creative Commons CC0 1.0 Universal Public Domain Dedication

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Um Reator Nuclear, para gerar energia elétrica, é, na verdade, uma Central Térmica, onde a fonte de calor é o urânio-235, em vez de óleo combustível ou de carvão. É, portanto, uma Central Térmica Nuclear [12].

Reator

Bomba

Condensador

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Resfriador

Válvulas de Controle

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A grande vantagem de utilizar uma central térmica de energia é a enorme quantidade de energia gerada com pouco material usado (o urânio) [13]:

Note que 10g de urânio-235 gera a mesma quantidade de energia que 700kg de óleo e 1.200Kg de carvão !!

Imagem: Padrão de ensaio de Urânio metal/ Autor: United States Department of Energy/ Public Domain in the US

10g 700 Kg

Imagem: Ilustração ortográfica de um barril de petróleo/ Autor: Amiralis /Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license.

1.200 Kg

Imagem: Produção de carvão / Autor: Frank Behnsen / GNU Free Documentation License

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2.4 Fusão Nuclear e o processo de produção de energia no Sol

Em março de 1938, uma conferência foi organizada pela Carnegie Institution, de Washington, para unir astrônomos e físicos. Um dos participantes foi o imigrante alemão Hans Albrecht Bethe (1906-2005). Logo após a conferência, Bethe desenvolveu a teoria de como a fusão nuclear podia produzir a energia que faz as estrelas brilharem. Esta teoria foi publicada em seu artigo A Produção de Energia nas Estrelas, de 1939, e que lhe valeu o prêmio Nobel em 1967.

Hans Bethe tomou os melhores dados das reações nucleares existentes e mostrou, em detalhe, como quatro prótons poderiam ser unidos e transformados em um núcleo de hélio, liberando energia. O processo que Bethe elaborou em seu artigo, conhecido atualmente como o Ciclo do Carbono, envolve uma cadeia complexa de seis reações nucleares em que átomos de carbono e nitrogênio agem como catalisadores para a fusão nuclear [14]:

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Imagem: O ciclo CNO-I em estrelas brilhantes sequenciais principais / Autor: Nasko / Creative Commons CC0 1.0 Universal Public Domain Dedication

Próton

Neutrôn

Posítron

Raio Gama

Neutrino

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Ou seja, em melhores palavras, a fusão nuclear é o processo no qual dois ou mais núcleos atômicos se juntam e formam um outro núcleo de maior número atômico. A fusão nuclear requer muita energia para acontecer e geralmente liberta muito mais energia que consome [15].

Na mesma época, além de Hans Bethe, o físico alemão Carl Friedrich von Weizäcker (1912-2007) e Charles Critchfield (1910-1994) identificaram várias das reações de fusão nuclear que mantém o brilho das estrelas. Hoje em dia, o valor aceito para a temperatura do núcleo do Sol é de 15 milhões de graus Kelvin [16]:

Outro exemplo de fusão nuclear no interior do Sol: A cadeia Próton-

Próton.

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3. O acidente nuclear de Chernobyl

O acidente nuclear de Chernobil ocorreu dia 26 de abril de 1986, na usina nuclear de Chernobil (originalmente chamada Vladimir Lenin), na Ucrânia (então parte da União Soviética). É considerado o pior acidente nuclear da história da energia nuclear, que produziu uma nuvem de radioatividade que atingiu a União Soviética, Europa Oriental, Escandinávia e Reino Unido, com a liberação de 400 vezes mais contaminação que a bomba que foi lançada sobre Hiroshima. Grandes áreas da Ucrânia, Bielorrússia e Rússia foram muito contaminadas, resultando na evacuação e reassentamento de aproximadamente 200 mil pessoas [17];

O reator nuclear de Chernobyl tinha grafite no núcleo e não possuía contenção de aço;

O Reator estava parando para manutenção periódica anual. Estavam sendo feitos testes na parte elétrica com o Reator quase parando, isto é, funcionando à baixa potência [18];

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Para que isso fosse possível, era preciso desligar o Sistema Automático de Segurança, caso contrário, o Reator poderia parar automaticamente durante os testes, o que eles não desejavam. Os reatores deste tipo não podem permanecer muito tempo com potência baixa, porque isso representa riscos muito altos;

Ainda assim, a operação continuou desta forma. Os operadores da

Sala de Controle do Reator, que não eram treinados segundo as normas internacionais de segurança, não obedeceram aos cuidados mínimos, e assim, acabaram perdendo o controle da operação;

A temperatura aumentou rapidamente e a água que circulava nos tubos foi total e rapidamente transformada em vapor, de forma explosiva. Houve, portanto, uma explosão de vapor, que arrebentou os tubos, os elementos combustíveis e os blocos de grafite. A explosão foi tão violenta que deslocou a tampa de concreto e destruiu o teto do prédio, que não foi previsto para aguentar tal impacto, deixando o Reator aberto para o meio ambiente [19].

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Os três principais problemas do uso da Energia Nuclear [20]:

• A manipulação do material radioativo;

• Possibilidade de desvio clandestino de material nuclear;

• Problema de armazenamento dos rejeitos radioativos das usinas.

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Algumas informações sobre o uso da energia nuclear no mundo

A energia nuclear é responsável por cerca de 16% da demanda de eletricidade do mundo [21];

Os Estados Unidos da América lideram a produção de energia nuclear e em países como a França, a Suécia, a Finlândia e a Bélgica, 50 % da energia elétrica consumida provém de usinas nucleares [22];

No Brasil, está funcionando a Usina Nuclear Angra 2, sendo que a produção de energia elétrica é em pequena quantidade, que não dá para abastecer toda a cidade do Rio de Janeiro [23];

No âmbito governamental, está em discussão a construção da Usina Nuclear Angra 3 por causa do déficit de energia no país.

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Efeitos da Radiação nos Seres Vivos

Os efeitos da radioatividade nos seres vivos manifestam-se em dois níveis [24]:

Nível somático, cuja expressão máxima é a morte;

Nível genético, responsável pelo aumento de mutações cromossômicas, podendo originar aberrações genéticas nas gerações posteriores.

Quando uma radiação incide num tecido biológico, altera as características químicas das moléculas destes tecidos, formando-se radicais intracelulares que, ou matam a célula, ou originam divisões não controláveis.No primeiro caso, o organismo elimina e substitui as células mortas, mas no segundo caso, geralmente formam-se tumores malignos [25].

A tabela seguinte foi feita através de conclusões tiradas de investigações feitas em animais, nas vítimas e sobreviventes de Hiroxima e Nagasaki, e em pessoas expostas a radiações nucleares [26].

Radioatividade Sievet (s = J/Kg) Efeitos no organismo humano

Até 250 msv Lesões cutâneas de total recuperação possível.

250 a 1000 msv • Doença da radiação: anemia por lesões na medula óssea;

• Alterações nos glóbulos brancos, aumentando o risco de infecções;

• Hemorragias por perda da capacidade de coagulação;

• Lesões na mucosa do estômago e dos intestinos, com vômitos, diarreias, debilidade e úlceras;

• é possível uma cura total.

1 a 4 sv Dose semi-letal: doença grave por radiação, mortal em 50% dos casos, por destruição da medula, lesões encefálicas e cardiovasculares, e hemorragias internas espontâneas.

5 a 30 sv Dose letal: danos graves no sistema nervoso, morte certa no prazo de 3 dias.

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FIM

Imagem: Petar Marjanovic, color changed by ChNPP / GNU Free Documentation License.

Tabela de ImagensSlide Autoria / Licença Link da Fonte Data do

Acesso

3a Sav vas, Francesco Rollandin / Public Domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Horse_shoe_Magnet.svg

04/04/2012

3b Lsmpascal / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Earth_moon_size_comparison.jpg

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3c Fissão nuclear do Uranio 235 / Autor: Stefan-Xp / GNU Free Documentation License

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Kernspaltung.png

04/04/2012

3d Composição de um próton / Autor: E2M / Public Domain

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Proton.svg

04/04/2012

4 Modelo de átomo por Ernest Rutherford./ Autor: Cburnett / GNU Free Documentation License

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Rutherford_atom.svg

04/04/2012

5a Representação esquemática do núcleo como um conjunto de prótons e nêutrons Autor: Cam-Ann/ Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nucleus_drawing.png

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5b Estrutura quark do próton Autor: Arpad Horvath/ GNU Free Documentation License

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Proton_quark_structure.jpg

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Slide Autoria / Licença Link da Fonte Data do Acesso

5c Estrutura quark do nêutron / Autor: Arpad

Horvath/ GNU Free Documentation Licensehttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:Neutron_quark_structure.jpg

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6 Modelo padrão de partículas elementares /Autor: MissMJ / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Standard_Model_of_Elementary_Particles.svg

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7 Fissão nuclear do Uranio 235 / Autor: Stefan-Xp / GNU Free Documentation License

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Kernspaltung.png

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9 Diagrama esquemático de uma reação de fissão em cadeia. / Autor: Fastfission / Public Domain

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fission_chain_reaction.svg

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14 Desenho esquemático de barras de controle num reator nuclear. / Autor: Pbech / Creative Commons CC0 1.0 Universal Public Domain Dedication

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Control_rods_schematic.svg

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Tabela de Imagens

Slide Autoria / Licença Link da Fonte Data do Acesso

15 Diagrama extraído do roadmap Generation IV

publicado pelo US Department of Energy e simplificado para remover agrupamento excessivo / Autor: US Department of Energy Nuclear Energy Research Advisory Committee/ Public Domain in the US

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Supercritical-Water-Cooled_Reactor.svg

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16a Padrão de ensaio de Urânio metal/ Autor: United States Department of Energy/ Public Domain in the US

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:U,92.jpg

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16b Ilustração ortográfica de um barril de petróleo/ Autor: Amiralis /Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license.

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Oil_Barrel_graphic.png

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16c Produção de carvão / Autor: Frank Behnsen / GNU Free Documentation License

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:SI_Netphen-Walpersdorf_Kohlenmeiler_02.jpg

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18a O ciclo CNO-I em estrelas brilhantes sequenciais principais / Autor: Nasko / Creative Commons CC0 1.0 Universal Public Domain Dedication

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:CNO-I_cycle.svg

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Tabela de Imagens

Slide Autoria / Licença Link da Fonte Data do Acesso

18b Imagem: Diagrama do ciclo CNO / Autor: Borb /

GNU Free Documentation Licensehttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:CNO_Cycle.svg

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19 Diagrama de fusão / Autor: Borb / GNU Free Documentation License

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:FusionintheSun.svg

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26 Petar Marjanovic, color changed by ChNPP / GNU Free Documentation License.

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Radioactive_Red.svg

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Tabela de Imagens