Fissão | Física | St. Charles

OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM
Exemplo 1. Cálculo da Energia Liberada por Fissão
Estratégia
Solução
Discussão
Exemplo 2. Cálculo da energia de um quilograma de combustível cindível
Estratégia
Solução
Discussão
PhET Explorations: Fissão Nuclear
Section Summary
Perguntas conceituais
Problemas & Exercícios
Glossary
Soluções seleccionadas para problemas & Exercícios

OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM

Ao final desta secção, você será capaz de:

Definir fissão nuclear.
Discutir como reage o combustível de fissão e descrever o que produz.
Descrever as reacções em cadeia controladas e não controladas.

A fissão nuclear é uma reacção em que um núcleo é dividido (ou fissurado). A fissão controlada é uma realidade, enquanto que a fusão controlada é uma esperança para o futuro. Centenas de usinas de fissão nuclear em todo o mundo atestam que a fissão controlada é prática e, pelo menos a curto prazo, econômica, como pode ser visto na Figura 1. Enquanto a energia nuclear foi de pouco interesse durante décadas após o TMI e Chernobyl (e agora Fukushima Daiichi), a crescente preocupação com o aquecimento global trouxe a energia nuclear de volta à mesa como uma alternativa energética viável. No final de 2009, havia 442 reatores operando em 30 países, fornecendo 15% da eletricidade do mundo. A França fornece mais de 75% de sua eletricidade com energia nuclear, enquanto os EUA têm 104 reatores em operação, fornecendo 20% de sua eletricidade. Austrália e Nova Zelândia não têm nenhum. A China está construindo usinas nucleares ao ritmo de um início por mês.

Figure 1. As pessoas que vivem perto desta usina nuclear não têm exposição mensurável à radiação que é rastreável para a usina. Cerca de 16% da energia elétrica mundial é gerada por fissão nuclear controlada em tais usinas. As torres de resfriamento são as características mais proeminentes, mas não são exclusivas da energia nuclear. O reator está no pequeno edifício em cúpula, à esquerda das torres. (crédito: Kalmthouts)

Fissão é o oposto de fusão e libera energia somente quando núcleos pesados são divididos. Como observado em Fusão, a energia é liberada se os produtos de uma reação nuclear tiverem uma energia de ligação por núcleo (BE/A) maior do que os núcleos pais. A Figura 2 mostra que a BE/A é maior para núcleos de massa média do que para núcleos pesados, implicando que quando um núcleo pesado é dividido, os produtos têm menos massa por núcleo, de modo que a massa é destruída e a energia é liberada na reação. A quantidade de energia por reação de fissão pode ser grande, mesmo pelos padrões nucleares. O gráfico na Figura 2 mostra que BE/A é de cerca de 7,6 MeV/núcleo para os núcleos mais pesados (A cerca de 240), enquanto BE/A é de cerca de 8,6 MeV/núcleo para núcleos com A cerca de 120. Assim, se um núcleo pesado se dividir ao meio, então cerca de 1 MeV por núcleo, ou aproximadamente 240 MeV por fissão, é liberado. Isto é cerca de 10 vezes a energia por reação de fusão, e cerca de 100 vezes a energia da média α, β, ou γ decaem.

Exemplo 1. Cálculo da Energia Liberada por Fissão

Calcular a energia liberada na seguinte reação de fissão espontânea:

238U → 95Sr + 140Xe + 3n

dados as massas atômicas a serem m(238U) = 238.050784 u, m(95Sr) = 94,919388 u, m(140Xe) = 139,921610 u, e m(n) =1,008665 u.

Estratégia

Como sempre, a energia liberada é igual à massa destruída vezes c2, então devemos encontrar a diferença de massa entre a 238U pai e os produtos de fissão.

Solução

Os produtos têm uma massa total de

\begin{array}{m}_{\texto{produtos}}& =& 94.919388}text{ u}+139.921610 }text{ u}+3{esquerda(1.008665}text{ u}{direita)}& =& 237.866993}text{ u}end{array}

A massa perdida é a massa de 238U menos mprodutos, ou

Δm = 238.050784 u- 237.8669933 u = 0.183791 u,

para que a energia libertada seja

\begin{array}{lll}E& =& {c}^{2}& =& {esquerda(0.183791 texto (u) {\i1}direita){931.5}texto (Me) {V/}{c}^{2}}{c}^{2}=171.2}texto (MeV}}}end{arranjo}

Discussão

Algumas coisas importantes surgem neste exemplo. A energia 171-MeV liberada é grande, mas um pouco menos do que os primeiros 240 MeV estimados. Isto porque esta reacção de fissão produz neutrões e não divide o núcleo em duas partes iguais. A fissão de um determinado nuclídeo, como o 238U , nem sempre produz os mesmos produtos. A fissão é um processo estatístico no qual toda uma gama de produtos é produzida com várias probabilidades. A maior parte da fissão produz neutrões, embora o número varie com cada fissão. Este é um aspecto extremamente importante da fissão, pois os neutrões podem induzir mais fissão, permitindo reacções em cadeia auto-sustentáveis.

Fissão espontânea pode ocorrer, mas este não é normalmente o modo de decomposição mais comum para um determinado nuclídeo. Por exemplo, a 238U pode fissionar espontaneamente, mas decai principalmente pela emissão de α. A fissão induzida por nêutrons é crucial, como visto na Figura 2. Sendo sem carga, mesmo os neutrões de baixa energia podem atingir um núcleo e ser absorvidos quando sentem a força nuclear atrativa. Os grandes núcleos são descritos por um modelo de gota de líquido com modos de tensão superficial e oscilação, porque o grande número de núcleos age como átomos em uma gota. O nêutron é atraído e, portanto, deposita energia, provocando a deformação do núcleo como uma gota de líquido. Se esticado o suficiente, o núcleo se estreita no meio. O número de núcleos em contacto e a força da força nuclear que une o núcleo são reduzidos. A repulsão coulomb entre as duas extremidades consegue então fissionar o núcleo, que salta como uma gota de água em dois grandes pedaços e alguns nêutrons. A fissão induzida por neutrões pode ser escrita como

n + AX → FF1 + FF2 + xn,

onde FF1 e FF2 são os dois núcleos filhos, chamados fragmentos de fissão, e x é o número de neutrões produzidos. A maioria das vezes, as massas dos fragmentos de fissão não são as mesmas. A maior parte da energia libertada vai para a energia cinética dos fragmentos de fissão, indo o restante para os neutrões e estados excitados dos fragmentos. Como os neutrões podem induzir fissão, é possível uma reacção em cadeia auto-sustentável, desde que em média se produza mais de um neutão – ou seja, se x>1 em n + AX → FF1 + FF2 + xn. Isto também pode ser visto na Figura 3. Um exemplo de uma típica reação de fissão induzida por nêutrons é

n+{}_{{\texto{92}}^{\texto{235}}{\i1}{\i1}{\i1}_{\i1}{\i1}}_texto{\i}+{\i}{\i}{\i}{\i1}{\i1}}texto{\i}Kr}+3{\i}{\i}.

Nota que nesta equação, a carga total permanece a mesma (é conservada): 92 + 0 = 56 + 36. Também, no que diz respeito aos números inteiros, a massa é constante: 1 + 235 = 142 + 91 + 3. Isto não é verdade quando consideramos as massas em 6 ou 7 lugares significativos, como no exemplo anterior.

Figure 2. A fissão induzida pelo nêutron é mostrada. Primeiro, a energia é colocada neste grande núcleo quando ele absorve um nêutron. Agindo como uma gota de líquido atingido, o núcleo deforma-se e começa a estreitar-se no meio. Como menos núcleos estão em contato, a força repulsiva de Coulomb é capaz de quebrar o núcleo em duas partes com alguns nêutrons também voando para longe.

Figure 3. Uma reação em cadeia pode produzir uma fissão auto-sustentada se cada fissão produzir neutrões suficientes para induzir pelo menos mais uma fissão. Isto depende de vários fatores, incluindo quantos nêutrons são produzidos em uma fissão média e como é fácil fazer um tipo particular de fissão de nuclídeos.

Nem todos os nêutrons produzidos pela fissão induzem a fissão. Alguns neutrões escapam ao material fissionável, enquanto outros interagem com um núcleo sem o fazer fissionar. Podemos aumentar o número de fissões produzidas pelos nêutrons por ter uma grande quantidade de material fissionável. A quantidade mínima necessária para a fissão auto-sustentada de um determinado nuclídeo é chamada de sua massa crítica. Alguns nuclídeos, como o 239Pu, produzem mais neutrões por fissão do que outros, como o 235U . Além disso, alguns nuclídeos são mais fáceis de fazer a fissão do que outros. Em particular, 235U e 239Pu, são mais fáceis de fissionar do que os muito mais abundantes 238U . Ambos os fatores afetam a massa crítica, que é menor para 239Pu.

A razão pela qual 235U e 239Pu são mais fáceis de fissionar do que 238U é que a força nuclear é mais atrativa para um número par de nêutrons em um núcleo do que para um número ímpar. Considere que o texto (92) tem 143 neutrões e o texto (239Pu) tem 146. Quando um nêutron encontra um núcleo com um número ímpar de nêutrons, a força nuclear é mais atraente, pois o nêutron adicional tornará o número uniforme. Cerca de 2-MeV mais energia é depositada no núcleo resultante do que se o número de nêutrons já fosse uniforme. Esta energia extra produz uma maior deformação, tornando a fissão mais provável. Assim, 235U e 239Pu são combustíveis de fissão superiores. O isótopo 235U é apenas 0,72% de urânio natural, enquanto que 238U é 99,27%, e 239Pu não existe na natureza. A Austrália tem os maiores depósitos de urânio do mundo, situando-se em 28% do total. Seguem-se o Cazaquistão e o Canadá. Os EUA possuem apenas 3% das reservas globais.

A maior parte dos reatores de fissão utiliza 235U , que é separada de 238U a algum custo. Isto é chamado de enriquecimento. O método de separação mais comum é a difusão gasosa do hexafluoreto de urânio (UF6) através de membranas. Desde que a 235U tem menos massa que a 238U , suas moléculas de UF6 têm maior velocidade média à mesma temperatura e se difundem mais rapidamente. Outra característica interessante da 235U é que ela absorve preferencialmente neutrões de movimento muito lento (com energias uma fração de um eV), enquanto as reações de fissão produzem neutrões rápidos com energias na ordem de um MeV. Para fazer um reator de fissão auto-sustentado com 235U , é necessário, portanto, desacelerar (“termalizar”) os nêutrons. A água é muito eficaz, pois os nêutrons colidem com protões nas moléculas de água e perdem energia. A figura 4 mostra um esquema de desenho de um reator, chamado reator de água pressurizada.

Figure 4. Um reactor de água pressurizada é inteligentemente concebido para controlar a fissão de grandes quantidades de 235U , enquanto utiliza o calor produzido na reacção de fissão para criar vapor para gerar energia eléctrica. As hastes de controle ajustam o fluxo de nêutrons para que a criticidade seja obtida, mas não excedida. Caso o reator superaqueça e ferva a água, a reação em cadeia termina, pois a água é necessária para a termização dos nêutrons. Esta característica de segurança inerente pode ser superada em circunstâncias extremas.

Bastão de controle contendo nuclídeos que absorvem muito fortemente os nêutrons são usados para ajustar o fluxo de nêutrons. Para produzir grande potência, os reactores contêm centenas a milhares de massas críticas, e a reacção em cadeia torna-se facilmente auto-sustentável, uma condição chamada de criticidade. O fluxo de neutrões deve ser cuidadosamente regulado para evitar um aumento exponencial da fissão, uma condição chamada supercriticidade. As hastes de controle ajudam a evitar o superaquecimento, talvez até mesmo um derretimento ou desmontagem explosiva. A água que é usada para termizar os neutrões, necessária para que eles induzam a fissão em 235U, e atinjam a criticidade, fornece um feedback negativo para os aumentos de temperatura. Caso o reator superaqueça e ferva a água ao vapor ou seja quebrado, a ausência de água mata a reação em cadeia. Um calor considerável, no entanto, ainda pode ser gerado pelos produtos de fissão radioativa do reator. Outras características de segurança, portanto, precisam ser incorporadas em caso de perda do refrigerante, incluindo água de resfriamento auxiliar e bombas.