Fissão Nuclear
Introdução
A Física Nuclear estuda tudo o que está diretamente relacionado à investigação do surgimento do universo, sua evolução e estrutura. Todos aqueles questionamentos que antes foram levantados sem que tivesse uma explicação aceitável fazem parte desse estudo. Assim sendo, neste trabalho irá debruçar-se sobre o tema “Física Nuclear”.
É importante avançar ainda que o estudo da Física Nuclear abrange um conhecimento que vai desde as partículas fundamentais até as imensas estruturas que formam o universo. Seu objetivo é entender as propriedades básicas dos núcleos e da matéria nuclear, podendo dessa forma encontrar uma teoria que seja completa sobre os núcleos mais completos. Portanto, esta abordagem trás concretamente o estudo da fissão nuclear, fusão nuclear, bomba hidrogénio e lixo nuclear.
Fissão nuclear
Na física nuclear o processo de fissão nuclear é a quebra do núcleo de um átomo instável em dois núcleos menores pelo bombardeamento de partículas como nêutrons. Os isótopos formados pela divisão têm massa parecida, no entanto geralmente seguem a proporção de massa de 3 para 2.
O processo de fissão é uma reação exotérmica onde há liberação de energia e ocorre em usinas nucleares e em bombas atômicas. A fissão é considerada uma forma de transmutação nuclear pois os fragmentos gerados não são do mesmo elemento do que o isótopo gerador.
Os nêutrons provenientes do rompimento do núcleo excitado vão encontrar novos núcleos, gerando, portanto, uma reação em cadeia. A fim de que os novos nêutrons liberados encontrem novos núcleos, para assim manter a reação em cadeia, após a fissão do núcleo de urânio, deve-se ter uma grande quantidade de urânio-235. Como a concentração de urânio-235 no mineral urânio é pouca, obtém-se o urânio 235 em grande escala através do processo de enriquecimento do urânio.
A fissão nuclear de um átomo de urânio libera grande quantidade de energia, cerca de 200 Mev. Se for descontrolada, a reação será explosiva – é o que acontece com as bombas atômicas.
Descrição
Os processos que alteram o estado ou composição da matéria são acompanhados pela absorção ou geração de energia. Processos comuns, como a combustão, produzem energia pelo rearranjo químico dos átomos ou moléculas. Por exemplo, a combustão do metano é representada pela seguinte reação:
Neste exemplo, a energia produzida é de 8 elétron-volts (eV). O elétron-volt é uma unidade de energia que representa o ganho de energia cinética quando um elétron é acelerado por uma diferença de potencial de um volt
A mais conhecida reação nuclear é a fissão. Nela, um núcleo pesado se combina com um nêutron e se separa em dois outros núcleos mais leves. Uma típica reação de fissão envolvendo o urânio é:
em que a energia liberada é de aproximadamente 200 MeV (milhões de eletron-volt), um fator de 25 milhões de vezes superior ao da reação da combustão do metano.
Fusão nuclear
Fusão nuclear é o processo no qual dois ou mais núcleos atômicos se juntam e formam um outro núcleo de maior número atômico. A fusão nuclear requer muita energia para acontecer, e geralmente libera muito mais energia do que a que consome. Quando ocorre com elementos mais leves que o ferro e o níquel (que possuem as maiores forças de coesão nuclear de todos os átomos, sendo portanto mais estáveis) ela geralmente libera energia, e com elementos mais pesados ela consome. Até hoje, início do século XXI, ainda não foi encontrada uma forma de controlar a fusão nuclear, como acontece com a fissão.
Processo de Fusão
O mecanismo de fusão é quase o inverso do mecanismo de fissão nuclear: núcleos leves e rápidos podem colidir, e fundir para formar núcleos mais pesados, sendo que há também uma quantidade considerável de energia liberada nesse processo. Essa energia está associada à dissipação de calor, depende diretamente das massas dos parceiros envolvidos na reação e tem suas propriedades relacionadas com a matéria nuclear, isto é, para que ocorra a fusão, alguns requisitos devem ser satisfeitos pelos parceiros envolvidos no processo:
- A energia cinética dos núcleos da reação deve ser grande para possibilitar o aumento da probabilidade de penetração na barreira coulombiana; esse processo ocorre em núcleos muito leves, a uma temperatura da ordem de 107K , estando, então, os átomos completamente ionizados, prefigurando um estado de plasma.
- A densidade de matéria presente nas temperaturas envolvidas na reação de fusão deve ser extremamente alta.
O interior das estrelas, em especial o sol, dispõe de todo cenário propício a esse tipo de reação, a densidade do interior do sol é de cerca de 1000 g/cm3 a uma temperatura de 1,5 x 107K. A Figura representa a reação de fusão de hidrogênio em hélio, que ocorre no interior das estrelas e que esteve presente no início da formação do universo, na nucleossíntese primordial
Conforme a temperatura, núcleos mais pesados podem ser formados. A maior aplicação da fusão nuclear estaria relacionada à geração de energia elétrica em substituição das usinas de fissão nuclear, só que de uma forma mais limpa e segura.
As principais vantagens em relação aos atuais reatores de fissão são:
- Combustível de fácil obtenção e em grande quantidade, o deutério pode ser obtido da água do mar e trítio obtido no próprio reator de fusão a partir do lítio, o urânio utilizado na fissão é muito raro e de difícil extração;
- A fusão é um processo mais seguro que a fissão, uma vez que a quantidade de combustível empregado é menor, sem liberação descontrolada de energia e as taxas de radiação emitidas são inferiores à taxa de radiação natural que incide na superfície terrestre;
- Menor produção de lixo nuclear comparado à fissão, além do que o lixo proveniente da fusão não é matéria-prima para fabricação de armas nucleares, como no caso da fissão. Atualmente, a NASA tem investido em pesquisas na construção de reatores nucleares de fusão para gerar energia para foguetes espaciais. Propulsores a fusão seriam mais eficientes e tornariam os foguetes mais velozes, além de propiciar viagens mais longas, uma vez que o combustível (hidrogênio) seria gerado de forma ilimitada no processo.
Bomba hidrogénio
Uma bomba de hidrogénio ou hidrogênio, designação mais adaptada ao seu significado bomba termonuclear, é um tipo de armamento que consegue ser até 1.000 vezes mais potente do que qualquer bomba nuclear de fissão.
Funcionamento
Ao contrário do que ocorre na fissão nuclear, quando átomos pesados de urânio se “quebram” liberando grandes quantidades de energia, na fusão nuclear os átomos de hidrogênio (deutério e trítio) se unem para liberar energia.
A diferença é que enquanto a fissão nuclear libera cerca de 10% da energia contida no núcleo dos átomos, a fusão pode liberar cerca de 40% dessa energia.
Mas para que isso ocorra são necessárias temperaturas muito altas a fim de iniciar o processo de fusão. Por isso, a reação de fissão nuclear é usada como um “gatilho” gerando grandes quantidades de energia que irão desencadear a reação de fusão.
A fusão termonuclear que ocorre na bomba de hidrogênio pode ser representada da seguinte maneira: 2,1H + 3,1H = 4,2He + 1,0n.
A idéia da construção de uma bomba por fusão termonuclear veio do físico Edward Teller (também chamado de Dr. Morte), que na época deixava de trabalhar no famoso Projeto Manhattan (responsável pelas bombas de Hiroshima e Nagazaki) para investir em um artefato que ele sabia ter um potencial destruidor várias vezes maior que o das bombas lançadas sobre o Japão.
Em 1º de novembro de 1952 foi feita a primeira (e única) detonação de uma bomba H da história no atol de Eniwetok (Ilhas Marshall). Nesse experimento a bomba H teve um poder de explosão de 10 milhões de toneladas de TNT, algo como 700 vezes o poder da bomba de Hiroshima.
Nas décadas seguintes a possibilidade de conseguir a fusão a temperaturas muito baixas (o que simplificaria e muito o processo da fusão nuclear), a chamada fusão a frio, causou um estardalhaço entre os cientistas do mundo todo. No entanto, as experiências realizadas pelos químicos Martin Fleischmann e Stanley Pons, da Universidade de Utah, e reproduzidas por diversos cientistas em todo o mundo ainda não tiveram resultados satisfatórios.
Lixo nuclear
O lixo nuclear é todo resíduo formado por compostos radioativos que perderam a utilidade de uso. São formados por resíduos com elementos químicos radioativos que não têm um propósito prático. São frequentemente um subproduto do processo nuclear, como a fusão nuclear.
Fontes produtoras
Este lixo é produzido por diversas fontes, sendo as principais:
- Usinas nucleares: após o processo de fissão nuclear, o que sobra do uso do urânio é considerado lixo nuclear.
- Armas Nucleares: na fabricação, manutenção ou desativação deste tipo de arma, vários resíduos nucleares são gerados.
- Laboratórios de exames clínicos: alguns instrumentos de exames médicos usam produtos radioativos como, por exemplo, máquinas de raio-x.
Cuidados com o transporte
O lixo nuclear deve ser transportado, tratado e isolado com máximo rigor de cuidado, seguindo diversas normas de segurança internacionais, a fim de evitar qualquer tipo de acidente ou contaminação. Um dos principais problemas atuais é o destino deste tipo de lixo.
Riscos para os seres humanos
O contato do ser humano com este tipo de lixo pode ter como consequência o desenvolvimento de várias doenças (câncer é a principal) e até a morte imediata.
Destino e Descarte do Lixo Nuclear
Dependendo da classificação do resíduo radioativo (alta radioatividade, média radioatividade e baixa radioatividade), ele possui um destino próprio. Assim, os de nível médio e baixo são guardados em grandes depósitos que podem ser provisórios ou permanentes. Por sua vez, o lixo nuclear que possui alta radioatividade é empilhado e armazenado numa piscina de resfriamento cercada por materiais como o aço, o chumbo e o concreto. Embora tenham um destino próprio segundo a legislação, esses materiais são altamente tóxicos, e dessa maneira, esses locais de descarte não são totalmente seguros. Locais que foram atingidos pela poluição nuclear são impróprios para habitação, sendo que esses resíduos pode levar de cinco a dez décadas para se dissiparem.
Conclusão
Terminada a abordagem, concluiu-se que a Física Nuclear tem sido aplicada em diversas áreas e tem trazendo vários benefícios para a humanidade, sempre que uma fonte de energia é descoberta aparece uma nova tecnologia onde se torna possível aproveitar essa energia. Foi assim com o fogo, o petróleo e, mais recentemente, com a energia atômica e a nuclear. Entre as principais aplicações da Física Nuclear estão: a geração de energia elétrica em usinas nucleares, os Raios X, tratamentos de câncer, armamentos e bombas nucleares.
É importante realçar que embora possuam diversas utilizações, os isótopos radioativos também apresentam riscos às pessoas e ao meio ambiente. Um aparelho de radioterapia se desmontado as cápsulas de césio 137 contidas nesse equipamento forem quebradas e espalhar a substância. Pessoas podem morrer devido à contaminação por césio 137; e se forem expostas a doses moderadas, porém, podem ser suficientes para aumentar exponencialmente o risco de desenvolver doenças como o câncer.
Bibliografia
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- LEE, J. D., Química inorgânica não tão concisa. 5° Ed., São Paulo: Editora Edgard Blucher Ltda., 2000.
- MAHAN, B.M & MYERS, R.J. Química: um curso universitário. (Tradução da 4° por Henrique E.Toma et all, 4° edição. São Paulo: Editora Blucher Ltda. 1995.
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