Fissão Nuclear

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.

     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

[ ⁸Be₄ ]

a + 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 núcleo de lítio 7 está à direita de um ponto de máximo local, que corresponde ao núcleo de hélio 4, e a fissão do núcleo de 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.

     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 do 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:

     ^AX_Z + n

[ ^{A + 1}X_Z ]

^{A + 1}X_Z + g

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

²³⁸U₉₂ + n

[ ²³⁹U₉₂ ]

²³⁹Np₉₃ + e^- + n* + g

²³⁹Np₉₃

²³⁹Pu₉₄ + e^- + n* + g

ou seja, a captura de um nêutron lento pelo núcleo de 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	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 núcleo de urânio 236, núcleo composto formado pela absorção de um nêutron pelo núcleo de 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 os núcleos de molibdênio (Z = 42) e de 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 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

[ ⁸Be₄ ]

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 enquanto ainda se encontram na 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 essa amostra, 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.

     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 do que 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, a 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

[ ²³⁹U₉₂ ]

²³⁹Np₉₃ + e^- + n* + g

²³⁹Np₉₃

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

²³⁵U₉₂ + 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.

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