Energia Nuclear

ENERGIA NUCLEAR: DEFINIÇÃO

Energia proveniente do reagrupamento ou quebra de núcleos atômicos, oriunda da quantidade de massa consumida durante o processo. Diferente de uma reação química, que envolve apenas mudanças na eletrosfera dos átomos, é necessário uma extensa quantidade de energia para provocar uma reação nuclear, devido a forte interação dentro do núcleo atômico. Consequentemente, a energia proveniente de uma reação nuclear é muito maior em relação a uma reação química. A relação entre a massa consumida e energia liberada durante a reação nuclear foi atribuída a formula de Einstein: E = Mc².

FISSÃO DO URÂNIO: O PROCESSO BÁSICO

Durante a década de 1930, Enrico Fermi e seus colaboradores, na Itália, fizeram diversas experiências com o nêutron e concluíram que, por não possuir carga elétrica, o nêutron seria particularmente eficaz para penetrar no núcleo atômico. Fermi observou que, alguns elementos químicos poderiam originar novos elementos através do bombardeamento de nêutrons. “Dentre suas observações estava à reação de captura dos nêutrons e a eficácia na produção de uma grande variedade de radioisótopos por nêutrons retardados em parafina ou água” (RAYMOND L. Murray, Energia nuclear, p 174).

Posteriormente, os químicos Otto Hahn e Strassmann e a física Lise Meitner, continuaram o trabalho de Fermi e seus colaboradores e descobriram que, alguns produtos resultantes da interação entre sais de urânio e nêutrons térmicos eram radioativos. Em 1938, Otto Hahn pediu conselhos a Lise Meitner a respeito de seus experimentos com urânio, no qual concluía que ao contrário do que imaginava, o elemento resultante era bário. Nessa época esperava-se mudanças pequenas nas reações nucleares, portanto acreditava-se que o elemento radioativo proveniente do uranio fosse o rádio. Em janeiro de 1939, Frish e Meitner fizeram a suposição de que a fissão era responsável pelo aparecimento de um elemento com apenas metade do peso do original. Meitner observou que a massa dos 2 núcleos resultantes da fissão era menor que a massa do núcleo urânio e, então, de acordo com o valor da energia presente no núcleo, na ordem de milhões, concluiu que a origem desta energia estava na relação E=mc².

O documentário “O Caminho para a fissão nuclear: A História de Lise Meitner e Otto Hahn” relata a história do químico alemão Otto Hahn e da física austríaca Lise Meitner¹. O trecho referente à descoberta e como funciona a fissão se encontra entre o minuto 34:48 e 42:15. Dificuldades como, a turbulenta época vivida pela Alemanha, devido à crise e a ascensão do nazismo, além do ceticismo em relação a mulheres no mundo acadêmico não destruiu o comprometimento desses 2 grandes cientistas com seus trabalhos científicos.

UM MODELO PARA A FISSÃO NUCLEAR

Raymond (2004, p.64) mostra na imagem abaixo a sequencia dos eventos, utilizando a reação do U-235 como ilustração do processo de fissão. Segundo Halliday (2009) o modelo para explicar os principais aspectos desse fenômeno foi criado por Niels Bohr e John Wheeler baseado em uma analogia entre o núcleo e uma gota de liquido carregada eletricamente.

Figura 1 – Modelo para fissão nuclear

Segundo Halliday (2009) e Raymond (2004), no estágio A, um nêutron térmico (lento) aproxima-se do núcleo do U-235 e fica confinado em um poço de potencial, devido a forte interação que age no interior do núcleo. No estado B o núcleo do U-236 foi formado, num estado excitado. Essa energia de excitação é igual à energia de ligação En do nêutron capturado. O excesso de energia em algumas interações pode ser liberado como raio gama, mas, frequentemente, a energia causa distorções no núcleo, fazendo com que se comporte como uma gota liquida e adquira um “pescoço”, como no estágio C. Por causa da predominância da repulsão eletrostática sobre a atração nuclear, as duas partes podem separar-se, como no estado D, o que constitui o processo de fissão propriamente dito.

Essa visão levou ao desenvolvimento de uma teoria quantitativa para explicar por que alguns núcleos sofrem fissão e outros não. A figura abaixo mostra uma função energia potencial hipotética para 2 dois possíveis fragmentos da fissão. Se a absorção de nêutrons produz uma energia de excitação maior do que a energia da altura da barreira Ub, ocorre imediatamente a fissão. Mesmo quando a energia não é suficiente para superar a barreira, a fissão pode ocorrer por tunelamento, embora a probabilidade disso acontecer seja muito pequena. (Young,2009, p 348)

Figura 2 – Função energia potencial

SUBPRODUTOS DA FISSÃO

A figura a seguir mostra os fragmentos produzidos quando o U-235 é bombardeado com nêutrons térmicos. Os números de massa mais prováveis são A =95 e A = 140.

Figura 3 – Distribuição dos números de massa dos fragmentos da fissão

A equação geral da reação nuclear para a fissão resultante da absorção neutronica no U-235, segundo Raymond (2004), pode ser descrita como:

(_92^235)U+ (_0^1)n → (_Z_1^(A_1))F_(1 ) + (_Z_2^(A_2))F_2 + ν_0^1 n+energia

Sendo v(nu) o numero de nêutrons e os símbolos químicos F1 e F2 para indicar as diversas maneiras de fragmentação. Segue como exemplo a seguinte reação:

(_92^235)U+ (_0^1)n →(_92^236)U^* → (_54^140)Xe+ (_38^94)Sr+2(_0^1)n

Os elementos (_54^140)Xe e (_38^94)Sr, devido à alta instabilidade, sofrem vários decaimentos beta (conversão de um núcleo em um próton, emitindo um elétron e um neutrino) até adquirirem formas estáveis. A liberação total de energia da fissão, depois de todas as partículas do decaimento terem sido liberadas, é de cerca de 200MeV dos quais 190MeV são efetivamente disponíveis. A tabela a seguir mostra a distribuição da energia entre os vários processos da fissão.

MeV

Energia cinética do fragmento da fissão 166

Nêutrons 5

Raios