Fissão nuclear

É O processo de divisão do núcleo de um átomo, em dois, a partir do seu bombardeamento por uma partícula de nêutron, gerando uma instabilidade na força nuclear que mantém coesas as partículas que compõem o núcleo.

Além destes dois novos elementos, também é gerada muita energia e o lançamento de dois ou três nêutrons deste núcleo cindido, que irão bombardear os núcleos dos átomos adjacentes, resultando num processo de fissão em reação em cadeia.

Histórico:

Em 22 de dezembro de 1938, os físicos alemães Otto Hahn e Fritz Strassmann, enquanto bombardeavam átomos de urânio com nêutrons, depararam-se com algo surpreendente: em meio ao urânio por eles bombardeado, encontraram partículas de bário.

Logo concluíram que como o núcleo do bário é bem menor, e com menos massa do que o núcleo de urânio, portanto este, somente poderia ter sido criado a partir da explosão do núcleo do primeiro elemento.

Mas quem realmente decifrou definitivamente esse fenômeno físico-químico foi a física Lise Meitner, mesmo assim, a academia concedeu o Nobel por esta descoberta somente para Hahn e Strassmann, injustamente.

O Processo de Fissão:

Pode-se induzir a fissão de um núcleo, excitando-o com uma energia de pelo menos 4 a 6 MeV ou bombardeando-o com nêutrons. Por exemplo, um núcleo de urânio 235 pode fissionar ao capturar um nêutron, mesmo que este tenha uma energia cinética muito baixa, da ordem de 0,025 eV (nêutron lento ou térmico).

Além disso, um núcleo de urânio 238 pode fissionar ao capturar um nêutron, desde que este tenha uma energia cinética grande, da ordem de 1 MeV (nêutron rápido).

Essa diferença deve ser atribuída à energia de pareamento.

O núcleo de urânio 235 tem um número de prótons par e um número de nêutrons ímpar. O pareamento do nêutron capturado com o nêutron ímpar do núcleo libera uma energia adicional de aproximadamente 0,57 MeV. O núcleo de urânio 238 tem número par de prótons e também um número par de nêutrons, de modo que o nêutron capturado não tem com que se parear e, por isso, não existe energia de pareamento a ser liberada.

Energia Liberada:

Ocorre porque a energia de ligação por núcleon é menor no núcleo que se fissiona do que nos núcleos fragmentos.

Na realidade, a energia total liberada na reação é maior porque os núcleos resultantes são instáveis e decaem, por emissão de elétrons, neutrinos e raios γ. Assim, a energia liberada na fissão de um núcleo de urânio chega a ser de aproximadamente 200 MeV (Megaelétron-Volt) e aparece como energia cinética nos fragmentos principais e nos nêutrons, elétrons e neutrinos liberados e também como a energia do campo eletromagnético que constitui os raios γ.

Emissão de Neutrons:

Para cada nêutron absorvido que provoca a fissão de um núcleo, são emitidos, em média, cerca de dois ou três nêutrons.

Considere como produto da fissão de um núcleo de um elemento que desta, possuía razão N/Z ≈ 1,57, em dois outros elementos cujos núcleos sejam estáveis, portanto, possuam razões N/Z menores que 1,57. Esta diferença de razões N/Z se dá justamente pela perda de nêutrons pelos núcleos-fragmentos.

Reação em Cadeia:

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 sucessivamente, tem-se uma reação em cadeia.

Em um 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. Em uma bomba atômica, 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.

Massa Crítica:

A fissão de um núcleo de urânio 235, por exemplo, produz diferentes pares de núcleos filhos e sempre, entre os produtos, existem nêutrons que poderiam, em princípio, originar novas fissões e ocasionar uma reação em cadeia.

Entretanto, esses nêutrons têm energias cinéticas de aproximadamente 1 MeV . Para um nêutron poder iniciar uma reação de fissão, deve ser um nêutron térmico, isto é, deve ter uma energia cinética muito pequena, de aproximadamente 0,03 MeV.

Numa amostra de substância fissionável, os nêutrons resultantes das fissões devem ter suas energias cinéticas reduzidas até se tornarem nêutrons térmicos antes de escapar da amostra. Caso contrário, eles não poderão iniciar novas reações de fissão a ponto de manter uma reação em cadeia.

Portanto, a amostra de substância fissionável deve ter uma massa mínima, para que os nêutrons, por colisões com os núcleos dos seus átomos, percam a quantidade de energia necessária. A massa da amostra, suficiente para manter maior do que a unidade a razão entre o número de nêutrons produzidos e o número de nêutrons que iniciam novas fissões, é chamada de massa crítica da substância que forma a amostra. Com essa razão maior do que a unidade, o número de fissões cresce exponencialmente e a amostra explode.

Aplicações:

1. Reatores Nucleares:

Reator nuclear é qualquer sistema físico em que 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 de reatores rápidos porque os nêutrons em questão têm uma energia cinética alta, de cerca de 1 MeV.

Os reatores em que os nêutrons liberados em cada fissão têm sua energia cinética diminuída para um valor menor do que aproximadamente 0,1 MeV antes de produzir novas fissões são chamados de 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.

O combustível vai dentro de tubos metálicos, constituindo os elementos combustíveis. O conjunto dos elementos combustíveis forma o núcleo do reator.

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 nas 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. As turbinas fazem girar os rotores dos geradores e estes produzem, então, energia elétrica, que é distribuída pelas linhas de transmissão.

2. Bombas Nucleares:

Utilizam como combustível o urânio 235, que é dividido em 3 blocos, 2 situados nas extremidades e 1 no meio, entre estes, ficam situados os detonadores (explosivos normais) que uma vez acionados, fazem as 3 placas se chocarem violentamente, fazendo-as alcançar a massa crítica necessária para o início do processo de fissão, que se dá de maneira rápida e não contida, o que ocasiona uma violenta liberação de energia causando uma enorme explosão, seguida de temperaturas que rapidamente alcançam de 10 à 15 milhões de graus Célsius, ondas de choque e farta emissão de nêutrons, de partículas Alpha e Beta, e de raios Gama.

Causando destruição, incêndios, pulverização de tudo que estiver próximo ao epicentro da eclosão, milhares de mortes, devastação da fauna e da flora, contaminação de seres vivos, ar, água e solo e diversas consequências futuras, como o desenvolvimento de doenças auto-imunes (assim como, também, deficiências imunológicas) câncer , alterações genéticas e deformações.

Materiais Fissionáveis:

Normalmente, uma amostra natural de urânio contém cerca de 99,3% de urânio 238, cujos núcleos não são fissionáveis, e cerca de 0,7% de urânio 235, cujos núcleos são fissionáveis. Como os núcleos de urânio 238 são bons absorvedores de nêutrons com energias cinéticas de cerca de 5 eV, eles tendem a absorver os nêutrons produzidos nas fissões dos núcleos de urânio 235 e se constituem, portanto, em obstáculos 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 de urânio 235, maior do que cerca de 0,7% é chamada de enriquecida.

É muito difícil separar o urânio 238 do urânio 235 numa amostra natural porque eles têm propriedades químicas semelhantes. Contudo, quando núcleos de urânio 238 absorvem nêutrons, eles se transformam em núcleos de plutônio 239 (que também é fissionável).

Desse modo, a amostra original passa a conter também esse elemento. Separar o plutônio do urânio é mais fácil porque eles têm propriedades químicas diferentes.

1. Enriquecimento do Urânio:

É o processo físico de retirada de urânio-238 do urânio natural, aumentando, a concentração de urânio-235.

Se o grau de enriquecimento for muito alto (acima de 90%), pode ocorrer uma reação em cadeia muito rápida, de difícil controle, mesmo para uma quantidade relativamente pequena de urânio, passando a constituir-se em uma explosão.

Foram desenvolvidos vários processos de enriquecimento de urânio, entre eles o da Difusão Gasosa e da Ultracentrifugação (em escala industrial), o do Jato Centrífugo (em escala de demonstração industrial) e um processo a Laser (em fase de pesquisa). Por se tratarem de tecnologias sofisticadas, os países que as detêm oferecem empecilhos para que outras nações tenham acesso a elas.

2. Resíduos:

Também conhecido como "lixo nuclear", é todo elemento resultante do processo de fissão nuclear que são formados por nuclídeos radioativos ou radionuclídeos.

Nos produtos da fissão do urânio-235 já foram identificados mais de duzentos isótopos pertencentes à 35 elementos diferentes. Muitos deles emitem radiações alfa, beta e gama, representando um risco à população, e necessitando, portanto, serem armazenados em recipientes de chumbo e/ou concreto e guardados em locais seguros por tempo suficiente para que a radiação caia a níveis não-prejudiciais.

Dentre os muitos nuclídeos presentes no lixo nuclear, podemos destacar quatro bastante perigosos para o ser humano: estrôncio-90; iodo-131; césio-137; Bário.

O lixo radioativo produzido nas usinas nucleares pode ser classificado em três níveis de intensidade: alta, média e baixa.

O lixo radioativo de alta intensidade é oriundo da fissão nuclear do urânio dentro do reator.

Uma usina nuclear de grande porte, como Angra 2, gera cerca de 50m3 por ano de resíduo de alta radioatividade – volume aproximadamente igual a de um cilindro com raio de 4m e altura de 1m.

Se esse lixo fosse reprocessado – o que ocorre, por exemplo, nos Estados Unidos - o volume seria aproximadamente sete vezes menor.

Estes descartes tem uma meia-vida que pode chegar a dezenas de milhares de anos, o que torna a questão sobre o seu destino muito delicada.

Os descartes de alta radioatividade de Angra 1 e 2 estão sendo armazenados em piscinas, mantendo os dejetos submersos a mais de dez metros de profundidade, sendo a água a responsável pela blindagem da radiação.

Os dejetos radioativos de baixa e média radioatividade são armazenados em depósitos intermediários – que são dois galpões de concreto construídos dentro de cavernas em rochas localizadas próximas das usinas.

Acidentes Nucleares:

1. Tchernobyl, Rússia - O maior de todos, provocado por falha humana em 1986: Para testar novas turbinas produtoras de energia, a equipe de manutenção da usina desligou o controle de segurança.

A turbina não teve força o suficiente, ficando em apenas 1% de sua capacidade. Preocupados, os engenheiros começaram a tentar reativá-la, mas 30 segundos depois uma descarga de energia percorreu toda a usina, que estava sem seu sistema de proteção ativado, causando explosões em massa, temperaturas acima dos 2 mil graus Celsius e 9 dias de incêndio, sem interrupção, que lançaram grandes quantidades de partículas radioativas na atmosfera, que rapidamente se espalhou por boa parte da URSS e da Europa ocidental.

Foi o pior acidente nuclear da história em termos de custo e de mortes resultantes, além de ser um dos dois únicos classificados como um evento de nível 7 (classificação máxima) na escala internacional de acidentes nucleares.

A batalha para conter a contaminação radioativa e evitar uma catástrofe maior envolveu mais de 500 mil trabalhadores e um custo estimado de 18 bilhões de rublos. O acidente, matou 31 pessoas diretamente, porém, drásticos efeitos à longo prazo, como câncer e deformidades ainda estão sendo contabilizados.

2. Goiânia, Brasil - O traumático episódio com a cápsula de césio 137 em 1987: A contaminação teve início quando um aparelho utilizado em radioterapias foi encontrado por catadores de um ferro velho do local, dentro de uma clínica abandonada, no centro de Goiânia.

Este foi desmontado e repassado para terceiros, gerando um rastro de contaminação, o qual afetou seriamente a saúde de centenas de pessoas.

Este acidente foi o do maior do mundo ocorrido fora de usinas nucleares. Foi classificado como nível 5 na escala internacional de acidentes nucleares.

Quatro pessoas morreram imediatamente, porém, estima-se que até o ano de 2012, quando o acidente completou 25 anos, cerca de 104 pessoas haviam morrido e cerca 1.600 tenham sido afetadas direta e indiretamente pela contaminação.

3. Fukushima, Japão - O mais recente, provocado por fenômenos naturais: Um terremoto, seguido de uma tsunami, causaram uma fissura de cerca de 20 cm na parede do reator, que propiciou o vazamento de materiais radioativos com iodo 131 e césio 137, para o ambiente externo.

Os índices de radioatividade em torno de Fukushima atingiram níveis perigosos, tendo inclusive contaminado parte da produção agrícola da região e se alastrado por boa parte do Oceano Pacífico.

Como o seu vazamento radioativo não pode ser contido até os dias atuais (Fukushima despeja, diariamente, 30 toneladas de material radioativo no Oceano Pacífico), estima-se que uma longa faixa do Oceano Pacífico, que vai do Japão ao Chile, já esteja com índices bem altos de contaminação por radioatividade, tendo, inclusive, um alerta silencioso de vários órgãos de saúde, pelo mundo, não recomendando o consumo de frutos do mar pescados nesta região.