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Fusão e Fissão Nuclear: uma breve introdução
Reginaldo A. ZaraCCET-Unioeste
Unioeste, 14/12/2007.
FUSÃO E FISSÃO NUCLEAR
Como podem os prótons ficar confinados em uma região tão pequena como é o núcleo do átomo, sendo que existe uma forte repulsão eletrostática entre eles?
Os prótons e nêutrons do núcleo do átomo são ligados por uma energia enorme – força nuclear forte
Força nuclear forte – força de curtíssimo alcance, mas que, dentro do seu raio de ação, é muito mais intensa que a gravitacional e a eletromagnética.
Quando um nêutron atinge o átomo, a ligação se rompe, o núcleo se divide, libera partículas e energia
Nas reações que envolvem núcleos, as transformações de massa em energia e vice-versa estão sempre presentes. Assim, nestas reações, é de uso fundamental a equação de Einstein.
Fusão: Uma breve introdução
A fusão nuclear dois ou mais núcleos atômicos se juntam, formando um outro núcleo maior;
É necessária muita energia cinética, que permita vencer a repulsão dos núcleos e haja o contato e a iteração entre eles;
A energia liberada depois da fusão é geralmente muito maior que a energia consumida;
A fusão ocorre mais facilmente entre núcleos que têm um pequeno número de prótons;
Reações de fusão - A principal reação de fusão que ocorre no interior do Sol.
A reação que ocorre mais facilmente é aquela em que o deutério se funde com o trício (ou trítio) produzindo uma partícula alfa (núcleo de hélio 4) e um nêutron, conforme a reação 3 abaixo.
D2 + D2 (He3 + 0,82 MeV) + (n1 + 2,45 MeV) D2 + D2 (T3 + 1,01 MeV) + (H1 + 3,03 MeV) D2 + T3 (He4 + 3,52 MeV) + (n + 14,06 MeV) D2 + He3 (He4 + 3,67 MeV) + (H1 + 14,67MeV)
Aparelho que consegue suportar essas temperaturas mantendo um delgado filete de plasma, longe das paredes, durante um curto intervalo de tempo e usando a técnica do confinamento magnético.
Fissão nuclear quebra ou divisão de um núcleo atômico, instável e pesado, através de um bombardeamento do núcleo com nêutrons lentos;
Poucos átomos podem sofrer o processo de fissão nuclear, entre eles, o urânio-235 e o plutônio;
A energia obtida através da fissão nuclear é devida à transformação da matéria em energia;
Geração de energia elétrica em países como Japão, França, USA, China, Brasil e outros;
Fissão: Uma breve introdução
Fissão Nuclear
Fusão Nuclear x Fissão Nuclear
Vantagens
O processo mais limpo que a fissão usa núcleos atômicos leves (Trítio e Deutério, isótopos do Hidrogênio);
Os lixos radioativos possuem vidas curtas;
A quantidade de energia liberada é muito maior na fusão que na fissão;
Desvantagens
Não se consegue controlar a fusão de um modo eficaz;
Ocorre em temperaturas elevadíssimas (milhões de graus centígrados).
É necessário o confinamento dos núcleos por pelo menos um segundo (câmaras magnéticas em formato toroidal “tokamak”;
Urânio Natural (0.7% 235U, 99.3% 238U)
Condição necessária para a sustentabilidade da reação: O número de núcleos que capturam nêutrons e O número de núcleos que capturam nêutrons e sofrem fissão tem de ser, em média, igual ao dos sofrem fissão tem de ser, em média, igual ao dos nêutrons resultantes desses processos que vão ser nêutrons resultantes desses processos que vão ser depois capturados e induzir fissãodepois capturados e induzir fissão
Consequentemente: o factor de multiplicação (razão entre on número de nêutrons de uma geração e o correspondente número da geração seguinte) deve ser UM
Reação em cadeia / SustentabilidadeReação em cadeia / Sustentabilidade
História (cíclica) de 100 nêutrons numa reação em cadeiaHistória (cíclica) de 100 nêutrons numa reação em cadeia
100 nêutrons lentos são capturados por U235 a causam fissão• Resultam 200 nêutrons• 40 escapam durante a termalização• 20 são capturados pelo U238 durante a termalização
140 que atingem velocidades baixas (lentos/térmicos ≈2200 m/s) • 10 escapam como nêutrons lentos ou térmicos
130 nêutrons disponíveis para absorção térmica:• 30 são absorvidos (moderador, U238, contaminantes, etc.)• 100 nêutrons lentos são capturados por U235 a causam fissão
Reação em cadeia / SustentabilidadeReação em cadeia / Sustentabilidade
Converte-se o óxido de urânio num gás,o UF6, hexafluoreto de U.
Separação por difusão e/ou centrifugação permite ENRIQUECER a parcela de isótopo 235 até aos 3 - 4% (maior eficiência; possibilita moderação dos nêutrons com água)
O UF6 é de novo convertido em UO2 e formam-se as “pellets” que são introduzidas em tubos metálicos que vão constituir as “barras de combustível” do núcleo do reator.
Uma vez consumido o combustível, as barras são removidas para re-processamento ou para armazenamento de médio ou longo prazo.
O “ciclo” do combustível nuclearO “ciclo” do combustível nuclear
Reator nuclear
Controle da Fissão nos ReatoresControle da Fissão nos Reatores
A reação acontece dentro de varetas que compõem o elemento combustível. Dentro dele há também barras de controle - feitas de material que absorve nêutrons, controlando o processo.Quando as barras "entram totalmente" no elemento combustível, o reator pára; quando saem, ele é ativado.
Num reator nuclear, a reação em cadeia é controlada com o uso de barras de substâncias moderadoras, como, por exemplo, a grafite.
Urânio enriquecido 3% a 4%.
Reação não controlada Explosão. Bomba Atômica Urânio enriquecido 90%.
Energia nuclear e o aquecimento global
Das fontes mais utilizadas de energia, apenas três não contribuem com a emissão de gases que causam o efeito estufa:
Eólica
Solar
Nuclear
Energia eólica: como o vento não pode ser represado, é uma energia imprevisível, vulnerável a oscilações climáticas;
Energia solar: necessita de grandes extensões para a produção de pouca energia, e só faz sentido em locais com forte incidência de luz solar;
Energia nuclear: Com controle rígido dos reatores, a energia atômica e ecológica já é uma realidade
ENERGIA NUCLEAR NO MUNDO(percentual)
01020304050607080
FrançaBélgica
Japão
Coréia do Sul
AlemanhaSuécia EUA
O Lado BomO Lado Bom
Energia LiberadaEnergia Liberada
A fissão completa de 1kg de 235U libera aproximadamente 8 x 1013 joules, suficiente para ferver 270 milhões de litros de água.
O Lado RuimO Lado Ruim
Em Chernobyl, em 1986, reator explodiu durante operação de manutenção dos equipamentos da usina.
O Lado RuimO Lado Ruim
Bomba A- 1945
Um Grande ProblemaUm Grande Problema
O LIXO ATÔMICO
Medindo a RadioatividadeMedindo a Radioatividade
Contador de Geiger-Müller
A radiação entra no tubo e produz ionização das moléculas gasosas, gerando uma corrente elétrica, cuja intensidade é registrada.
A Radioatividade do CotidianoA Radioatividade do Cotidiano
Alimentos: 25 mrem(*) por ano
(*) mrem = 1/1000 remrem é uma unidade de dose de radiação ionizante que produz o mesmo efeito biológico de uma unidade de dose de raios-X
A Radioatividade do CotidianoA Radioatividade do Cotidiano
Radiografia dentária: 20 mrem cada
Energia solar: 11 mrem por ano
A Radioatividade do CotidianoA Radioatividade do Cotidiano
Área num raio de 1 km de uma usina nuclear: 5 mrem por ano
Irradiação e ContaminaçãoIrradiação e Contaminação
Irradiação é a exposição de um objeto ou um corpo à radiação, o que pode ocorrer à distância, sem necessidade de contato.
Irradiar não significa contaminar.
Irradiação e ContaminaçãoIrradiação e Contaminação
Contaminação, radioativa ou não, caracteriza-se pela presença indesejável de um material em local onde não deveria estar.
No caso de materiais radioativos, a contaminação gera irradiações. Para descontaminar um local, retira-se o material contaminante.
IRRADIAÇÃO NÃO CONTAMINA, MAS CONTAMINAÇÃO IRRADIA.
Por que a radiação provoca danos Por que a radiação provoca danos biológicos?biológicos?
Quando exposta à radiação a molécula de água, presente no
líquido puro ou fazendo parte dos
tecidos vivos, absorve energia e
forma radicais livres.
Aplicações da RadioatividadeAplicações da Radioatividade
Alimentos Irradiados
Aplicações da RadioatividadeAplicações da Radioatividade
Radioterapia
Aplicações da RadioatividadeAplicações da Radioatividade
Datação radioativa
