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 . 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 .

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:

 ¹H₁ + ⁷Li₃ ---> [ ⁸Be₄ ] ---> ⁴He₂ + ⁴He₂

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.

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 ---> [ ²³⁹U₉₂ ] ---> ²³⁹Np₉₃ + e^- + * +

 ²³⁹Np₉₃ ---> ²³⁹Pu₉₄ + e^- + * +

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 + ⁴He₂

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.

Fusão Nuclear

Fusão nuclear é o processo de formação de um núcleo a partir da colisão e posterior junção de dois núcleos menores. Os núcleos que colidem devem ter, inicialmente, uma energia cinética que lhes permita se aproximar contra a repulsão coulombiana o suficiente para que a interação nuclear forte passe a ser efetiva e mais importante. Como a repulsão coulombiana é tanto mais importante quanto maior a carga elétrica dos núcleos em colisão, a fusão nuclear pode ser provocada com mais facilidade entre núcleos com número pequeno de prótons.

A energia cinética mínima dos núcleos para que ocorra a fusão pode ser estimada supondo que a interação nuclear se torna efetiva para uni-los quando eles entram em contato. Então, a energia cinética mínima dos núcleos, supostos esféricos, deve ser igual à energia potencial de repulsão coulombiana entre eles:

onde R1 e R2 são os raios e Z1 e Z2, os números atômicos dos núcleos. Com:

Da teoria cinética sabe-se que a energia cinética média por partícula de um gás é da ordem de kBT, onde:

é a constante de Boltzmann e T, a temperatura kelvin. Um gás dos núcleos de menor número atômico, isto é, um gás de prótons ou um gás de núcleos de deutério, se existisse qualquer um dos dois, deveria ter uma temperatura da ordem de 109 K para que ocorressem fusões porque, fazendo EMIN = kBT com Z1 = Z2 = 1, temos:

Esse resultado representa apenas uma estimativa grosseira. Na verdade, para um gás de prótons ou um gás de núcleos de deutério, já ocorrem fusões se a temperatura é da ordem de 106 K ou, em termos energéticos, se os prótons ou os núcleos de deutério têm energias cinéticas de cerca de 90 eV. É interessante comparar essa energia mínima que devem ter os prótons ou os núcleos de deutério para iniciar as reações de fusão com a energia cinética dos nêutrons térmicos que iniciam as reações de fissão, que é de cerca de 0,03 eV.

Em temperaturas da ordem de 106 K, as unidades básicas de qualquer substância não são mais os átomos ou moléculas e sim, os núcleos correspondentes e os elétrons, estes não mais ligados àqueles devido à intensidade das colisões. O que se tem é um plasma, ou seja, um gás neutro de núcleos com carga positiva e elétrons livres, que só pode ser mantido confinado por campos elétricos e magnéticos.
As estrelas, em sua grande maioria, são bolas de plasma confinado pelo campo gravitacional e as reações de fusão são as responsáveis pela produção de energia.

Energia Liberada na Fusão

Já foi discutido que o processo de fusão vem acompanhado de liberação de energia porque as energias de ligação por núcleon dos núcleos iniciais são menores do que a energia de ligação por núcleon do núcleo final. Tomando como exemplo a fusão de dois núcleos de oxigênio 16 para formar um núcleo de enxofre 32 foi visto que era liberada uma energia de 25,6 MeV. O cálculo foi o possível de ser feito a partir do gráfico E / A contra A. Agora, fazendo Z1 = Z2 = 8 na expressão para a energia cinética mínima dos núcleos para que ocorra a fusão vem:

Então, em princípio, a energia liberada nessa fusão é suficiente para excitar outros núcleos e produzir uma reação em cadeia. O mesmo vale para outros exemplos de fusão. E de modo análogo ao caso da fissão, num reator nuclear, a reação é controlada, e numa bomba termonuclear (bomba H), não.

Reatores de Fusão Nuclear

Reator de fusão nuclear é qualquer sistema físico onde se produz e se controla uma reação nuclear de fusão em cadeia. Embora existam vários métodos propostos e sendo implementados para a geração de energia por meio da fusão, ainda não existe um reator que funcione satisfatoriamente. A reação de fusão deutério-hélio 3:

e a reação de fusão deutério-trítio:

são consideradas as mais importantes porque liberam grande quantidade de energia por unidade de massa. Contudo, para a implementação da reação deutério-hélio 3, deve-se enfrentar um problema até agora em aberto: enquanto o deutério pode ser facilmente obtido da água do mar, o hélio 3 é raro e não pode ser obtido por qualquer processo simples. Por outro lado, para a implementação da reação deutério-trítio, deve-se enfrentar os seguintes problemas: o trítio é muito raro na natureza e os nêutrons produzidos, ao serem absorvidos por vários tipos de núcleos, podem originar núcleos radioativos. Aparentemente, esses dois problemas têm solução. A escassez de trítio pode ser resolvida porque o trítio pode ser produzido pelo bombardeamento de lítio pelos nêutrons liberados num reator de fissão, segundo a reação:

e o perigo dos nêutrons produzidos também pode ser resolvido porque os nêutrons podem ser absorvidos por lítio segundo a mesma reação e com a vantagem de se produzir mais trítio.
O obstáculo mais importante que impede o funcionamento satisfatório dos reatores de fusão é a incapacidade de se manter uma certa quantidade de plasma de deutério e trítio num estado de temperatura e pressão adequado para que ocorram as fusões durante o intervalo de tempo necessário para produzir uma quantidade de energia maior do que aquela consumida. No confinamento magnético, o plasma é comprimido adiabaticamente pelo rápido aumento da intensidade do campo magnético e, com isso, aumenta a sua temperatura até que aconteçam as fusões. No confinamento inercial, feixes muito intensos de raio laser aquecem e comprimem minúsculas cápsulas com um plasma de deutério e trítio até que ele atinja um estado de temperatura e pressão adequado para que ocorram as fusões.

A Energia do Sol

As temperaturas no interior do Sol e de outras estrelas são maiores do que 107 oC. Então, nesses ambientes ocorrem reações termonucleares. Ao lado estão representados os estágios do ciclo do carbono, que se supõe ser o processo que produz a maior parte da energia que o Sol continuamente irradia para o espaço. O carbono 12 consumido no estágio 1 reaparece como produto no estágio 6, ou seja, o ciclo do carbono não faz diminuir a quantidade de carbono 12 do interior do Sol. Por outro lado, o hidrogênio 1, ou seja, os prótons, consumidos nos estágios 1, 3, 4 e 6, nunca mais reaparece como produto. O produto final do ciclo é o hélio 4 e a reação efetiva que se desenvolve no ciclo do carbono é a seguinte:

A reação é de fusão de 4 núcleos de hidrogênio 1 (4 prótons) para resultar em um núcleo de hélio 4. A energia total gerada nessa reação é de cerca de 25 MeV. Com o passar do tempo, o conteúdo de hidrogênio do Sol diminui e cresce o conteúdo de hélio.

Fonte: www.ufsm.br