Energia, Fissão e Fusão Nuclear

UNIVERSIDADE ESTADUAL DO CENTRO OESTE DO PARANÁ UNICENTRO

GIÁCOMO ALESSANDRO PERACKI

DANIEL PACHECO

SEMINÁRIO FÍSICA II: ENERGIA NUCLEAR.

Guarapuava - Paraná

2019

GIÁCOMO ALESSANDRO PERACKI

DANIEL PACHECO

SEMINÁRIO FÍSICA II: ENERGIA NUCLEAR.

Trabalho apresentado a Professora Dra.Taiana Gabriela Moretti Bonadio, como requisito para obtenção de nota parcial referente ao segundo semestre do ano letivo de 2019.

Guarapuava, outubro de 2019.

Guarapuava - Paraná

2019

RESUMO

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Sumário

1.        Introdução        5

2.        Energia como um fator de desenvolvimento.        5

3.        Fissão e Fusão Nuclear: Processos e diferenças.        6

- Fissão Nuclear        6

- Reator Nuclear        8

4.        Conclusões        9

Referências        9

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1. Introdução

Em 1911, Rutherford, ao realizar o experimento de espalhamento de partículas alfa, exemplificado na figura 1, pode observar que algumas partículas alfas que eram bombardeadas sobre a lâmina de ouro, sofriam uma força de repulsão que faria com que elas retrocedessem quando batiam na lâmina. A interpretação deste fato o levou a descoberta do núcleo, uma pequena região no centro do átomo, no qual segundo ele estaria concentrada toda a carga positiva do átomo, que comportaria quase toda a sua massa, e os elétrons o orbitariam como em um sistema planetário.

[pic 1]

Figura 1 - Exemplificação do experimento de espalhamento de particulas alfa realizado por Rutherford.

Em 1932, J. Chadwick fazendo um bombardeamento de Berílio com partículas alfa, propôs ainda a existência de uma outra partícula dentro do núcleo, o nêutron, o qual seria semelhante ao próton, e com massa também muito parecida, porém sem carga elétrica. Desde então diversas descobertas foram e ainda estão sendo feitas a respeito do núcleo atômico, como a de que os prótons e neutros não são partículas elementares e sim formadas de quarks e glúons.

Este trabalho tem como objetivo tratar do núcleo atômico como uma fonte de energia a partir de processos de fissão e fusão nuclear, expondo seus processos, suas vantagens e desvantagens, além de trazer alguns exemplos e quais os efeitos causados por eles.

1. Energia como um fator de desenvolvimento.

A energia é provavelmente o bem mais precioso da civilização moderna, durante a história a busca por meios cada vez mais eficientes de se produzir energia esteve lado a lado com a evolução da humanidade, saímos do fogo para máquinas a vapor, conseguimos transformar o vento e a correnteza da água em fontes de energia, porém a população vem aumentando e com ela aumenta-se a demanda de energia. Hoje estimativas apontam que quase 80% da energia consumida é proveniente de combustíveis fosseis e de fontes não renováveis, e que eles podem acabar em menos de cem anos.

Porém existe uma forma de gerar energia extremamente eficiente, a energia nuclear. Quando extraímos energia da madeira e do carvão queimando esses combustíveis, estamos lidando com reações químicas que envolvem apenas os elétrons da última camada dos átomos de carbono e oxigênio que são reagrupados em configurações mais estáveis. Quando extraímos energia do urânio em um reator nuclear. estamos também queimando um combustível, mas desta vez estamos mexendo com o núcleo de urânio, reagrupando os núcleons que o compõem em configurações mais estáveis.

Os elétrons são confinados nos átomos pela interação eletromagnética e são necessários apenas alguns elétrons-volts para arrancá-los. Por outro lado, os núcleons são confinados nos núcleos pela interação forte e são necessários milhões de elétrons-volts para arrancá-los. Esse fator da ordem de milhões se reflete no fato de que podemos extrair muito mais energia de um quilograma de urânio do que de um quilograma de carvão.

Tanto na queima de um combustível químico como na de um combustível nuclear, a liberação de energia é acompanhada por uma diminuição da massa, de acordo com a equação Q = -mc2. A diferença principal entre a queima de urânio e a queima de carvão está em que, no primeiro caso, uma fração muito maior da massa disponível é consumida (mais uma vez, o fator nesse caso é da ordem de milhões).

Existem dois processos para se conseguir extrair energia de um núcleo de um átomo: a fissão e a fusão nuclear. Tratam-se de processos bem diferentes e para diferentes tipos de núcleos, um processo requer núcleos pesados em que as ligações com os núcleos está mais enquanto que o outro requer núcleos mais leves e que tem configurações mais estáveis com o núcleo.

1. Fissão e Fusão Nuclear: Processos e diferenças.

- Fissão Nuclear

A fissão nuclear é um processo já conhecido pela humanidade, e é realizada desde a Segunda Guerra Mundial. Em um evento típico de fissão do 235U, um núcleo de 235U absorve um nêutron térmico, o que resulta em um núcleo composto, 236U, em um estado altamente excitado. É esse núcleo que sofre o processo de fissão, dividindo-se em dois fragmentos. Os fragmentos imediatamente emitem dois ou mais nêutrons, dando origem a fragmentos de fissão como o 140Xe (Z = 54) e o 94Sr (Z = 38). A equação para este evento se dá por:

[pic 2]

(01)

Podemos estimar a energia liberada pela fissão de um nuclídeo pesado calculando a energia de ligação por núcleon ΔE antes e depois da fissão. Para que a fissão seja possível , é necessário que  a energia de repouso total diminua; isso significa que ΔE deve ser maior após a fissão. A energia Q liberada pela fissão é dada por:

[pic 3]

(02)

Logo depois que a fissão nuclear foi descoberta, Niels Bohr e John Wheeler usaram o modelo coletivo do núcleo, baseado em uma analogia entre o núcleo e uma gota de líquido carregada eletricamente, para explicar os principais aspectos do fenômeno. A figura 2 mostra os vários estágios do processo de fissão, de acordo com este modelo.