Fissão nuclear

Fissão nuclear, na física 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.[1][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.

Descrição

Diagrama representativo da fissão nuclear do urânio: o nêutron colide com o núcleo, que se torna instável e, em seguida, se divide em dois novos núcleos menores e mais leves (bário e criptônio) que, por sua vez, liberam energia, radiação gama e alguns nêutrons.
Reator nuclear natural de Oklo:[3]
1. Área onde ocorreram reações de fissão.
2. Arenito.
3. Minério de urânio.
4. Granito.

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.[4]

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.

A captura de um nêutron pelo 235U produz um estado excitado do 236U, o qual possui energia mais do que suficiente para dividi-lo em dois fragmentos. Por outro lado, a energia crítica para a fissão do 239U é 5,9 MeV , mas a captura de um nêutron por um núcleo de 238U produz uma energia de excitação de apenas 5,2 MeV. Assim, quando um nêutron térmico é capturado pelo 238U para formar 239U, a energia de excitação não é suficiente para que a fissão ocorra. Neste caso, o núcleo excitado de 239U volta ao estado fundamental emitindo raios gama ou partículas alfa.

Todos os núcleos com número atômico maior do que 83 são radioativos. Entre os vários modos possíveis de decaimento dos núcleos muito pesados (Z > 90) está a fissão espontânea. Estes núcleos podem se dividir em dois fragmentos mesmo que não absorvam um nêutron. Podemos compreender a fissão espontânea usando a analogia de uma gota de líquido com cargas positivas. Quando a gota não é muito grande, a tensão superficial é suficiente para manter a gota coesa, apesar das forças de repulsão que existem entre as cargas. Existe, porém, um tamanho máximo a partir do qual a gota se torna instável e se parte espontaneamente em duas, já que a força de repulsão é proporcional ao número de cargas, que, por sua vez, é proporcional ao volume e, portanto ao cubo do raio da gota, enquanto a tensão superficial é proporcional à área da superfície e, portanto ao quadrado do raio da gota.

A possibilidade de fissão espontânea estabelece um limite superior para o tamanho dos núcleos e, portanto para o número de elementos da tabela periódica. É preciso observar que a probabilidade de fissão espontânea dos núcleos naturais é muito pequena em relação aos outros modos possíveis de decaimento. Assim, por exemplo, a meia-vida do 238U em relação ao decaimento alfa é de 4,5 x 109 anos, enquanto a meia-vida em relação à fissão espontânea é 1016 anos.

O mesmo núcleo pode se fissionar de muitas formas diferentes, produzindo fragmentos de diferentes tamanhos. Dependendo da reação, também podem ser emitidos um, dois ou três nêutrons. O número médio de nêutrons emitidos na reação de fissão do 235U induzida por nêutrons térmicos é 2,4. A fissão é acompanhada pela emissão imediata de um ou mais dos nêutrons em excesso, seguida pelo decaimento beta (veja na sequência) dos fragmentos de fissão para reduzir ainda mais o número de nêutrons. Em consequência, alguns nêutrons são emitidos espontaneamente imediatamente após a fissão e outros são convertidos em prótons por emissão beta. A força de repulsão eletrostática faz com que fragmentos sejam arremessados em direções opostas com energia cinética elevada; colisões com os outros átomos transformam subsequentemente energia em energia térmica. A fissão libera energia de aproximadamente 200 MeV por núcleo. Trata-se de uma quantidade muito grande de energia.

Em uma reação de combustão, por exemplo, apenas 4 eV são liberados por molécula de oxigênio consumida.

O decaimento beta ocorre com a emissão de partículas beta (β), assim chamados os elétrons (ou pósitrons) com grande quantidade de energia emitidos de núcleos atômicos. Existem duas formas de decaimento beta, β- e β+. No decaimento β+ , um próton é convertido num nêutron, com a emissão de um pósitron e de um neutrino. No decaimento β- um nêutron é convertido num próton, com emissão de um elétron e de um antineutrino (a antipartícula do neutrino).[5]

Fusão nuclear de deutério-trítio
gerando energia e produzindo como resíduo apenas hélio.

Outra importante reação nuclear é a fusão nuclear, na qual dois elementos leves combinam-se para formar um átomo mais pesado (ver: Fusão aneutrônica, Stellarator e Tokamak). Uma importante reação é:

em que a energia liberada pela reação é próxima de dezoito milhões de eV. A fusão nuclear é um processo de produção de energia a partir do núcleo de um átomo. Este fenômeno ocorre naturalmente no interior do Sol e das estrelas. Núcleos leves como o do hidrogênio e seus isótopos, o deutério e o trítio, se fundem e criam elementos de um núcleo mais pesado, como o hélio.

Usinas termonucleares aproveitam a enorme energia liberada por reações nucleares para a produção de energia em alta escala. Em uma moderna usina de carvão, a combustão de uma libra (453,59g) de carvão produz 1 quilowatt hora (kWh) de energia elétrica. A fissão de uma libra de urânio em uma moderna usina nuclear produz cerca de três milhões de kWh de energia elétrica. É a incrível densidade da energia (energia por unidade de massa) que faz as fontes de energia nuclear serem tão interessantes.[5]

No presente, apenas o processo de fissão é utilizado na produção comercial de energia (geralmente para produzir eletricidade). As pesquisas sobre a fusão ainda não produziram uma tecnologia de produção de energia economicamente factível.

História

Descoberta da fissão nuclear

Otto Hahn e Lise Meitner em 1912

A descoberta da fissão nuclear ocorreu em 1938 nos edifícios da Sociedade Kaiser Wilhelm de Química, hoje parte da Universidade Livre de Berlim, após mais de quatro décadas de trabalho na ciência da radioatividade e na elaboração de uma nova física nuclear que descrevia os componentes dos átomos. Em 1911, Ernest Rutherford propôs um modelo do átomo no qual um núcleo de protões muito pequeno, denso e positivamente carregado era rodeado por eletrões em órbita, negativamente carregados (o Modelo de Rutherford).[6] Niels Bohr aperfeiçoou este modelo em 1913, reconciliando o comportamento quântico dos eletrões (o Modelo de Bohr). Em 1928, George Gamow propôs o Modelo da gota líquida, que se tornou essencial para a compreensão da física da fissão.[7]:49–51,70–77,228[8]:6–7

Em 1896, Henri Becquerel descobriu a radioatividade, nomeada posteriormente por Marie Curie. Em 1900, Rutherford e Frederick Soddy, ao investigarem o gás radioativo emanado do tório, "transmitiram a tremenda e inevitável conclusão de que o elemento tório se estava a transmutar lenta e espontaneamente em gás árgon!"[7]:41–43

Em 1919, dando seguimento a uma anomalia anterior notada por Ernest Marsden em 1915, Rutherford tentou "partir o átomo". Rutherford conseguiu realizar a primeira transmutação artificial de nitrogénio em oxigénio, utilizando partículas alfa direcionadas ao nitrogénio 14N + α → 17O + p. Rutherford afirmou: "...devemos concluir que o átomo de nitrogénio está desintegrado", enquanto os jornais declararam que ele tinha dividido o átomo. Esta foi a primeira observação de uma reação nuclear, ou seja, uma reação na qual partículas de um decaimento são utilizadas para transformar outro núcleo atómico. Ofereceu também uma nova forma de estudar o núcleo. Rutherford e James Chadwick usaram então partículas alfa para "desintegrar" boro, flúor, sódio, alumínio e fósforo, antes de atingirem uma limitação associada à energia da sua fonte de partículas alfa.[7] Eventualmente, em 1932, uma reação nuclear e transmutação nuclear totalmente artificial foi alcançada pelos colegas de Rutherford, Ernest Walton e John Cockcroft, que utilizaram protões acelerados artificialmente contra o lítio-7, para dividir este núcleo em duas partículas alfa. O feito ficou popularmente conhecido como "dividir o átomo" e valeu-lhes o Prémio Nobel da Física de 1951 pela "Transmutação de núcleos atómicos por partículas atómicas aceleradas artificialmente", embora não se tratasse da reação de fissão nuclear descoberta mais tarde em elementos pesados.[9][10][11]

O físico inglês James Chadwick descobriu o neutrão em 1932.[12] Chadwick utilizou uma câmara de ionização para observar protões expelidos de vários elementos por radiação de berílio, seguindo observações anteriores feitas pelos Joliot-Curies. Nas palavras de Chadwick: "...Para explicar o grande poder de penetração da radiação, devemos assumir que a partícula não tem carga líquida..." A existência do neutrão foi postulada pela primeira vez por Rutherford em 1920 e, nas palavras de Chadwick: "...como diabo se iria construir um núcleo grande com uma carga positiva grande? E a resposta foi uma partícula neutra."[7]:153–165 Posteriormente, ele comunicou as suas descobertas com mais detalhe.[13]

Nas palavras de Richard Rhodes, referindo-se ao neutrão: "Serviria, portanto, como uma nova sonda nuclear de poder de penetração insuperável." Philip Morrison afirmou: "Um feixe de neutrões térmicos movendo-se à velocidade do som... produz reações nucleares em muitos materiais muito mais facilmente do que um feixe de protões... viajando milhares de vezes mais depressa." De acordo com Rhodes: "Abrandar um neutrão dava-lhe mais tempo na vizinhança do núcleo, e isso dava-lhe mais tempo para ser capturado." A equipa de Fermi, estudando a captura radiativa (a emissão de radiação gama após o núcleo capturar um neutrão), estudou sessenta elementos, induzindo radioatividade em quarenta. No processo, descobriram a capacidade do hidrogénio de abrandar os neutrões.[7]:165,216–220

Enrico Fermi e os seus colegas em Roma estudaram os resultados do bombardeamento de urânio com neutrões em 1934.[14] Fermi concluiu que as suas experiências tinham criado novos elementos com 93 e 94 protões, que o grupo apelidou de ausénio e hespério. No entanto, nem todos ficaram convencidos pela análise de Fermi, embora ele viesse a ganhar o Prémio Nobel da Física de 1938 pelas suas "demonstrações da existência de novos elementos radioativos produzidos pela irradiação de neutrões, e pela sua descoberta relacionada de reações nucleares provocadas por neutrões lentos". A química alemã Ida Noddack sugeriu notavelmente em 1934 que, em vez de criar um novo elemento 93 mais pesado, "é concebível que o núcleo se parta em vários fragmentos grandes".[15] No entanto, a objeção citada surge mais à frente no seu texto e foi apenas uma das várias lacunas que ela notou na afirmação de Fermi. Embora Noddack fosse uma química analítica de renome, faltava-lhe a formação em física para compreender a enormidade do que estava a propor.[16]

A exposição de fissão nuclear no Deutsches Museum em Munique. A mesa e os instrumentos são originais,[17][18] mas não estariam juntos na mesma sala.

Após a publicação de Fermi, Otto Hahn, Lise Meitner e Fritz Strassmann começaram a realizar experiências semelhantes em Berlim. Meitner, uma judia austríaca, perdeu a cidadania austríaca com o Anschluss, a união da Áustria com a Alemanha em março de 1938; fugiu em julho de 1938 para a Suécia e iniciou uma correspondência por carta com Hahn em Berlim. Por coincidência, o seu sobrinho Otto Robert Frisch, também refugiado, estava igualmente na Suécia quando Meitner recebeu uma carta de Hahn, datada de 19 de dezembro, descrevendo a sua prova química de que parte do produto do bombardeamento de urânio com neutrões era bário. Hahn sugeriu um "rebentamento" do núcleo, mas não tinha a certeza da base física dos resultados. O bário tinha uma massa atómica 40% inferior à do urânio, e nenhum método de decaimento radioativo anteriormente conhecido poderia explicar uma diferença tão grande na massa do núcleo. Frisch estava cético, mas Meitner confiava na capacidade de Hahn como químico. Marie Curie vinha separando bário de rádio há muitos anos e as técnicas eram bem conhecidas. Meitner e Frisch interpretaram então corretamente os resultados de Hahn como significando que o núcleo de urânio se tinha dividido sensivelmente ao meio. Frisch sugeriu que o processo fosse designado por "fissão nuclear", por analogia ao processo de divisão de células vivas em duas, que na altura se chamava fissão binária. Tal como o termo "reação em cadeia" nuclear seria mais tarde emprestado da química, o termo "fissão" foi emprestado da biologia.[19]

As notícias espalharam-se rapidamente sobre a nova descoberta, que foi corretamente vista como um efeito físico inteiramente novo com grandes possibilidades científicas — e potencialmente práticas. A interpretação de Meitner e Frisch da descoberta de Hahn e Strassmann atravessou o Oceano Atlântico com Niels Bohr, que ia dar palestras na Universidade de Princeton. I.I. Rabi e Willis Lamb, dois físicos da Universidade de Columbia a trabalhar em Princeton, ouviram a notícia e levaram-na de volta para Columbia. Rabi disse que contou a Enrico Fermi; Fermi deu o crédito a Lamb. Bohr foi pouco depois de Princeton para Columbia para ver Fermi. Não encontrando Fermi no seu gabinete, Bohr desceu para a área do ciclotrão e encontrou Herbert L. Anderson. Bohr agarrou-o pelo ombro e disse: "Meu jovem, deixe-me explicar-lhe algo novo e excitante na física."[20]

Ficou claro para vários cientistas em Columbia que deviam tentar detetar a energia libertada na fissão nuclear do urânio a partir do bombardeamento de neutrões. A 25 de janeiro de 1939, uma equipa da Universidade de Columbia realizou a primeira experiência de fissão nuclear nos Estados Unidos,[21] realizada na cave do Pupin Hall. A experiência consistiu em colocar óxido de urânio dentro de uma câmara de ionização e irradiá-lo com neutrões, medindo a energia assim libertada. Os resultados confirmaram que a fissão estava a ocorrer e sugeriram fortemente que era o isótopo urânio-235 em particular que estava a sofrer fissão. No dia seguinte, começou em Washington, D.C. a quinta Conferência de Washington sobre Física Teórica, sob os auspícios conjuntos da Universidade George Washington e da Carnegie Institution of Washington. Ali, a notícia sobre a fissão nuclear espalhou-se ainda mais, o que fomentou muitas outras demonstrações experimentais.[22] O artigo de Hahn e Strassman de 6 de janeiro de 1939 anunciou a descoberta da fissão. Na sua segunda publicação sobre fissão nuclear em fevereiro de 1939, Hahn e Strassmann usaram o termo Uranspaltung (fissão do urânio) pela primeira vez e previram a existência e libertação de neutrões adicionais durante o processo de fissão, abrindo a possibilidade de uma reação nuclear em cadeia.[23] O artigo de 11 de fevereiro de 1939 de Meitner e Frisch comparou o processo à divisão de uma gota líquida e estimou a energia libertada em 200 MeV.[24] O artigo de 1 de setembro de 1939 de Bohr e Wheeler utilizou este modelo de gota líquida para quantificar detalhes da fissão, incluindo a energia libertada, estimou a secção eficaz para a fissão induzida por neutrões e deduziu que o 235U era o principal contribuinte para essa secção eficaz e para a fissão por neutrões lentos.[25][7]:262,311[8]:9–13

Realização da reação de fissão em cadeia

Durante este período, o físico húngaro Leó Szilárd percebeu que a fissão de átomos pesados impulsionada por neutrões poderia ser usada para criar uma reação nuclear em cadeia. Uma tal reação utilizando neutrões era uma ideia que ele tinha formulado pela primeira vez em 1933, ao ler os comentários depreciativos de Rutherford sobre a produção de energia a partir de colisões de neutrões. No entanto, Szilárd não tinha sido capaz de alcançar uma reação em cadeia impulsionada por neutrões utilizando berílio. Szilárd afirmou: "...se pudéssemos encontrar um elemento que se dividisse por neutrões e que emitisse dois neutrões quando absorvesse um neutrão, tal elemento, se reunido numa massa suficientemente grande, poderia sustentar uma reação nuclear em cadeia." A 25 de janeiro de 1939, após saber da descoberta de Hahn através de Eugene Wigner, Szilárd notou: "...se forem emitidos neutrões suficientes... então deveria ser, claro, possível sustentar uma reação em cadeia. Todas as coisas que H. G. Wells previu pareceram-me subitamente reais." Após a publicação do artigo de Hahn-Strassman, Szilárd notou numa carta a Lewis Strauss que, durante a fissão do urânio, "a energia libertada nesta nova reação deve ser muito mais elevada do que em todos os casos anteriormente conhecidos...", o que poderia levar à "produção em larga escala de energia e elementos radioativos, infelizmente também talvez a bombas atómicas."[26][7]:26–28,203–204,213–214,223–225,267–268

Szilárd instou agora Fermi (em Nova Iorque) e Frédéric Joliot-Curie (em Paris) a absterem-se de publicar sobre a possibilidade de uma reação em cadeia, para que o governo nazi não se apercebesse das possibilidades na véspera do que viria a ser conhecido como a Segunda Guerra Mundial. Com alguma hesitação, Fermi concordou com a autocensura. Mas Joliot-Curie não o fez e, em abril de 1939, a sua equipa em Paris, incluindo Hans von Halban e Lew Kowarski, relatou na revista Nature que o número de neutrões emitidos na fissão nuclear do urânio era então de 3,5 por fissão.[27] Szilárd e Walter Zinn descobriram que "...o número de neutrões emitidos por fissão era de cerca de dois." Fermi e Anderson estimaram "um rendimento de cerca de dois neutrões por cada neutrão capturado."[7]:290–291,295–296

Desenho do primeiro reator artificial, o Chicago Pile-1

Com a notícia dos neutrões da fissão do urânio, Szilárd compreendeu imediatamente a possibilidade de uma reação nuclear em cadeia utilizando urânio. No verão, Fermi e Szilárd propuseram a ideia de um reator nuclear (pilha) para mediar este processo. A pilha usaria urânio natural como combustível. Fermi tinha demonstrado muito antes que os neutrões eram capturados muito mais eficazmente pelos átomos se tivessem baixa energia (os chamados neutrões "lentos" ou "térmicos"), porque, por razões quânticas, isso fazia com que os átomos parecessem alvos muito maiores para os neutrões. Assim, para abrandar os neutrões secundários libertados pelos núcleos de urânio em fissão, Fermi e Szilárd propuseram um "moderador" de grafite, contra o qual os neutrões secundários rápidos e de alta energia colidiriam, abrandando-os eficazmente. Com urânio suficiente e grafite suficientemente pura, a sua "pilha" poderia teoricamente sustentar uma reação em cadeia de neutrões lentos. Isto resultaria na produção de calor, bem como na criação de produtos de fissão radioativos.[7]:291,298–302

Em agosto de 1939, Szilárd, Teller e Wigner pensaram que os alemães poderiam fazer uso da reação em cadeia de fissão e foram impulsionados a tentar atrair a atenção do governo dos Estados Unidos para o assunto. Para tal, persuadiram Albert Einstein a dar o seu nome a uma carta dirigida ao Presidente Franklin Roosevelt. A 11 de outubro, a Carta Einstein–Szilárd foi entregue através de Alexander Sachs. Roosevelt compreendeu rapidamente as implicações, afirmando: "Alex, o que pretendes é garantir que os nazis não nos façam ir pelos ares." Roosevelt ordenou a formação do Comité Consultivo do Urânio.[7]:303–309,312–317

Em fevereiro de 1940, encorajado por Fermi e John R. Dunning, Alfred O. C. Nier conseguiu separar U-235 e U-238 de tetracloreto de urânio num espectrómetro de massa de vidro. Subsequentemente, Dunning, bombardeando a amostra de U-235 com neutrões gerados pelo ciclotrão da Universidade de Columbia, confirmou que o "U-235 era responsável pela fissão do urânio por neutrões lentos."[7]:297–298,332

Na Universidade de Birmingham, Frisch juntou-se a Peierls, que tinha estado a trabalhar numa fórmula de massa crítica. Assumindo que a separação de isótopos era possível, consideraram o 235U, que tinha uma secção eficaz nuclear ainda não determinada, mas que se assumia ser muito superior à do urânio natural. Calcularam que apenas cerca de meio quilo ou um quilo, num volume inferior a uma bola de golfe, resultaria numa reação em cadeia mais rápida do que a vaporização, e a explosão resultante geraria temperaturas superiores ao interior do sol e pressões superiores ao centro da terra. Além disso, os custos da separação de isótopos "seriam insignificantes comparados com o custo da guerra." Em março de 1940, encorajados por Mark Oliphant, escreveram o Memorando de Frisch-Peierls em duas partes: "Sobre a construção de uma 'superbomba' baseada numa reação nuclear em cadeia no urânio" e "Memorando sobre as propriedades de uma 'superbomba' radioativa". A 10 de abril de 1940, realizou-se a primeira reunião do Comité MAUD.[7]:321–325,330–331,340–341

Em dezembro de 1940, Franz Simon, em Oxford, escreveu a sua "Estimativa do tamanho de uma planta de separação real". Simon propôs a difusão gasosa como o melhor método para a separação de isótopos de urânio.[7]:339,343

A 28 de março de 1941, Emilio Segré e Glen Seaborg relataram "fortes indícios de que o 239Pu sofre fissão com neutrões lentos." Isto significava que a separação química era uma alternativa à separação de isótopos de urânio. Em vez disso, um reator nuclear alimentado com urânio comum poderia produzir um isótopo de plutónio como substituto explosivo nuclear para o 235U. Em maio, demonstraram que a secção eficaz do plutónio era 1,7 vezes a do U-235. Quando a secção eficaz do plutónio para a fissão rápida foi medida como sendo dez vezes a do U-238, o plutónio tornou-se uma opção viável para uma bomba.[7]:346–355,366–368

Em outubro de 1941, o MAUD entregou o seu relatório final ao governo dos EUA. O relatório afirmava: "Chegámos agora à conclusão de que será possível fabricar uma bomba de urânio eficaz... O material para a primeira bomba poderá estar pronto até ao final de 1943..."[7]:368–369

Em novembro de 1941, John Dunning e Eugene T. Booth conseguiram demonstrar o enriquecimento de urânio através de difusão gasosa por barreira. A 27 de novembro, Bush entregou o terceiro relatório da Academia Nacional de Ciências a Roosevelt. O relatório, entre outras coisas, apelava ao desenvolvimento paralelo de todos os sistemas de separação de isótopos. A 6 de dezembro, Bush e Conant reorganizaram as tarefas do Comité do Urânio, com Harold Urey a desenvolver a difusão gasosa, Lawrence a desenvolver a separação eletromagnética, Eger V. Murphree a desenvolver centrifugadoras e Arthur Compton responsável pelos estudos teóricos e design.[7]:381,387–388

A 23 de abril de 1942, cientistas do Laboratório Metalúrgico (Met Lab) discutiram sete formas possíveis de extrair plutónio do urânio irradiado e decidiram prosseguir a investigação das sete. A 17 de junho, o primeiro lote de hexahidrato de nitrato de urânio (UNH) estava a ser bombardeado por neutrões no ciclotrão da Universidade de Washington em St. Louis. A 27 de julho, o UNH irradiado estava pronto para a equipa de Glenn T. Seaborg. A 20 de agosto, utilizando técnicas de ultramicroquímica, conseguiram extrair plutónio com sucesso.[7]:408–415

Em abril de 1939, criar uma reação em cadeia no urânio natural tornou-se o objetivo de Fermi e Szilárd, em oposição à separação de isótopos. Os seus primeiros esforços envolveram quinhentas libras de óxido de urânio da Eldorado Radium Corporation. Acondicionadas em cinquenta e duas latas de duas polegadas de diâmetro e dois pés de comprimento num tanque de solução de manganês, conseguiram confirmar que eram emitidos mais neutrões do que os absorvidos. No entanto, o hidrogénio na água absorvia os neutrões lentos necessários para a fissão. O carbono, sob a forma de grafite, foi então considerado devido à sua menor secção eficaz de captura. Em abril de 1940, Fermi conseguiu confirmar o potencial do carbono para uma reação em cadeia de neutrões lentos, após receber tijolos de grafite da National Carbon Company nos seus Laboratórios Pupin. Em agosto e setembro, a equipa de Columbia alargou as medições da secção eficaz construindo uma série de "pilhas" exponenciais. As primeiras pilhas consistiam numa rede de urânio-grafite, composta por 288 latas, cada uma contendo 60 libras de óxido de urânio, rodeadas por tijolos de grafite. O objetivo de Fermi era determinar a massa crítica necessária para sustentar a geração de neutrões. Fermi definiu o fator de reprodução k para avaliar a reação em cadeia, sendo que um valor de 1,0 denotava uma reação em cadeia sustentada. Em setembro de 1941, a equipa de Fermi conseguiu apenas atingir um valor de k de 0,87. Em abril de 1942, antes de o projeto ser centralizado em Chicago, tinham atingido 0,918 removendo a humidade do óxido. Em maio de 1942, Fermi planeou uma pilha de reação em cadeia em escala real, a Chicago Pile-1, depois de uma das pilhas exponenciais no Stagg Field ter atingido um k de 0,995. Entre 15 de setembro e 15 de novembro, Herbert L. Anderson e Walter Zinn construíram dezasseis pilhas exponenciais. A aquisição de formas mais puras de grafite, sem vestígios de boro e a sua grande secção eficaz, tornou-se fundamental. Também importante foi a aquisição de formas altamente purificadas de óxido da Mallinckrodt Chemical Works. Finalmente, a aquisição de urânio metálico puro a partir do Processo Ames significou a substituição de pseudoesferas de óxido pelos "ovos" de Frank Spedding. A partir de 16 de novembro de 1942, Fermi pôs Anderson e Zinn a trabalhar em dois turnos de doze horas, construindo uma pilha que acabou por atingir 57 camadas a 1 de dezembro. A pilha final consistia em 771 000 libras de grafite, 80 590 libras de óxido de urânio e 12 400 libras de urânio metálico, com dez barras de controlo de cádmio. A intensidade dos neutrões foi medida com um contador de triflúor de boro, com as barras de controlo removidas após o final de cada turno. A 2 de dezembro de 1942, com o k a aproximar-se de 1,0, Fermi mandou retirar todas as barras de controlo exceto uma, e foi retirando gradualmente a última. Os cliques do contador de neutrões aumentaram, tal como o registador de pena, quando Fermi anunciou: "A pilha tornou-se crítica." Tinham atingido um k de 1,006, o que significava que a intensidade dos neutrões duplicava a cada dois minutos, além de produzirem plutónio.[7]:298–301,333–334,394–397,400–401,428–442

Projeto Manhattan e mais além

Nos Estados Unidos, foi iniciado um esforço total para o fabrico de armas atómicas no final de 1942. Este trabalho foi assumido pelo Corpo de Engenheiros do Exército dos Estados Unidos em 1943 e ficou conhecido como o Distrito de Engenharia de Manhattan. O ultrassecreto Projeto Manhattan, como era coloquialmente conhecido, foi liderado pelo General Leslie R. Groves. Entre as dezenas de locais do projeto encontravam-se: o Complexo de Hanford, em Washington, que teve os primeiros reatores nucleares à escala industrial e produziu plutónio; Oak Ridge, no Tennessee, que se dedicava principalmente ao enriquecimento de urânio; e o Laboratório Nacional de Los Alamos, no Novo México, que foi o centro científico para a investigação sobre o desenvolvimento e design da bomba. Outros locais, nomeadamente o Laboratório de Radiação de Berkeley e o Laboratório Metalúrgico da Universidade de Chicago, desempenharam papéis importantes. A direção científica geral do projeto foi gerida pelo físico J. Robert Oppenheimer.

Em julho de 1945, o primeiro dispositivo explosivo atómico, apelidado de "The Gadget", foi detonado no deserto do Novo México no teste Trinity. Foi alimentado por plutónio criado em Hanford. Em agosto de 1945, mais dois dispositivos atómicos — "Little Boy", uma bomba de urânio-235, e "Fat Man", uma bomba de plutónio — foram utilizados contra as cidades japonesas de Hiroxima e Nagasáqui.

Reatores de fissão nuclear naturais na Terra

A criticalidade na natureza é invulgar. Em três depósitos de minério em Oklo, no Gabão, foram descobertos dezasseis locais (os chamados Reatores Fósseis de Oklo) nos quais ocorreu fissão nuclear autossustentada há aproximadamente 2 mil milhões de anos. O físico francês Francis Perrin descobriu os Reatores Fósseis de Oklo em 1972, mas tal tinha sido postulado por Paul Kuroda em 1956.[28] Reações de fissão em cadeia de urânio natural em larga escala, moderadas por água normal, tinham ocorrido num passado distante e não seriam possíveis agora. Este processo antigo pôde utilizar água normal como moderador apenas porque, há 2 mil milhões de anos, o urânio natural era mais rico no isótopo físsil de vida curta 235U (cerca de 3%) do que o urânio natural disponível hoje (que é de apenas 0,7% e tem de ser enriquecido para 3% para ser utilizável em reatores de água leve).

Núcleo atômico

Tudo o que existe no mundo observável é feito de matéria, que por sua vez é composta por partículas chamadas átomos. Esses átomos têm em seu interior um centro (o núcleo atômico) que é rodeado pelas camadas eletronicas bem definidas de energia onde giram os elétrons (partículas negativas e-). O centro do átomo costuma ser em média de 10 a 100 mil vezes menor que ele e comporta dentro de si os prótons (partículas positivas p) e os nêutrons (partículas neutras n). Alguns átomos possuem núcleos instáveis, ou seja, que estão em constante processo de desintegração nuclear, o que propicia a liberação das radiações radiação alfa - α, radiação beta -β e radiação gama - γ. Como estão sempre em instabilidade, qualquer partícula que seja adicionada a esse núcleo pode, em suma, provocar a sua desintegração total em energia e uma maior liberação de partículas que se movem em alta velocidade. Esse é o princípio da fissão nuclear realizada nos reatores das usinas nucleares ou no interior das estruturas de uma bomba atômica.[29]

Energia de ligação nuclear

A energia liberada no processo de fissão nuclear é resultado da conversão de parte da massa nuclear em energia, prevista pela ideia relativística de massa-energia, esta massa nuclear que se transforma em energia não é composta por quarks como poderíamos supor, mas é o resultado da força forte, uma das quatro forças fundamentais cuja partícula mensageira é o glúon (do inglês, glue, cola). A força forte, nas distâncias subatômicas é a mais forte de todas as quatro e é o que mantém quarks e, consequentemente, nêutrons e prótons coesos no núcleo do átomo. A energia que tal força dispensa é percebida como massa e é parte da massa total do núcleo (razão pela qual a massa do núcleo é ligeiramente maior que a de todos os seus componentes somadas, o glúon não possui massa).

Tal força é menor quanto menos numerosas são as partículas componentes do átomo, sendo assim parte da massa resultado da energia dispensada pela força forte é convertida em energia. A maior parte da energia liberada neste processo conhecido como fissão (onde usualmente um átomo de Urânio-235 recebe um nêutron se tornando Urânio-236 oscilando e ficando instável até se fragmentar em Criptônio e Bário) é do tipo luminosa, porém uma considerável parte é convertida em partículas fundamentais mais raras como o neutrino do elétron, o múon ou o pósitron.

A formação de antipartículas como o pósitron ou o antimúon são geralmente seguidas pela interação com suas partículas o que também libera energia, portanto é comum confundir a energia liberada da fissão, que é também um tipo de conversão massa - energia, com este outro tipo de conversão massa - energia (ver: Antimatéria).

Fator de produção e reação em cadeia

Representação esquemática de uma reação em cadeia do 235U, onde os fragmentos de fissão estão representados para as quatro primeiras fissões
Indian Point Energy Center, em Buchanan (Nova Iorque), local da instalação do primeiro reator de tório do mundo.[30]

Para que uma reação nuclear seja autossustentada, é preciso que, em média, pelo menos um dos nêutrons emitidos pela fissão do 235U seja capturado por outro núcleo de 235U e provoque a fissão deste segundo núcleo. O fator de reprodução de um reator, representado pela letra k, é definido como o número médio de nêutrons resultantes de fissões que produzem novas fissões.[5]

No caso do 235U , o número máximo possível de k é 2,4, mas este número normalmente é bem menor, por duas razões principais:

  1. Alguns nêutrons escapam da região que contém os núcleos fissionáveis;
  2. Alguns nêutrons são capturados por núcleos não-fissionáveis. Quando k é exatamente igual a 1, a reação é autossustentada; quando k é menor que 1, a reação não prossegue. Quando k é maior que 1, o número de fissões aumenta rapidamente e a reação se torna “explosiva”. É o que acontece nas bombas nucleares.[5]

Nos reatores nucleares para produção de energia, o valor de k é mantido muito próximo de 1, veja esquema na figura , onde os fragmentos de fissão estão representados apenas para as primeiras quatro fissões. O número médio de nêutrons produzidos é 2,5 por fissão. Neste exemplo, k = 1,6. Observe que embora existam quarenta nêutrons no diagrama, basta absorver dois destes nêutrons para que o fator de produção seja reduzido para k = 1, o valor necessário para que a reação se mantenha estável. Quando k é exatamente igual a 1, dizemos que o reator está crítico; quando k < 1, que está subcrítico; quando k > 1, que está supercrítico.[5]

Como os nêutrons emitidos na fissão em geral têm energias da ordem de 1 MeV ou maiores, enquanto a seção de choque para captura de nêutrons é muito maior para baixas energias, a reação em cadeia só se mantém se os nêutrons perderem energia antes de escaparem do reator.

Os nêutrons de alta energia (1 a 2 MeV) perdem rapidamente energia através de colisões inelásticas com o 238U, o isótopo mais abundante do urânio natural. Depois que a energia dos nêutrons cai abaixo de 1 MeV, o principal processo de perda de energia passa a ser o espalhamento elástico, no qual um nêutron colide com um núcleo em repouso e, para respeitar a lei de conservação do momento, transfere parte de sua energia cinética para o núcleo.

Este processo de transferência de energia só é eficiente quando as massas dos dois corpos são da mesma ordem; em uma colisão elástica, um nêutron não transfere muita energia para um núcleo de 238U, que tem uma massa muito maior. Este tipo de colisão é análogo à colisão de uma bola de gude com uma bola de sinuca; a bola de gude é desviada pela bola de sinuca, mas a energia cinética permanece praticamente inalterada.

Por esta razão, costuma-se colocar um material de baixa massa atômica, como água ou grafite, conhecidos como moderador nuclear, no núcleo do reator, para reduzir a energia dos nêutrons, aumentando assim a probabilidade de fissão antes que os nêutrons escapem do reator. Os nêutrons perdem energia através de colisões com o moderador.

O uso da tecnologia de reatores nucleares para geração de eletricidade foi afetada por acidentes como o de Chernobyl (Ucrânia), criando certo receio na população mundial, quanto a sua utilização para geração de energia elétrica, mas, recentemente, vem apresentando notável nível de confiabilidade e eficiência. A grande quantidade de urânio existente no planeta poderia suprir os reatores de usinas nucleares e de pesquisas, bem como uso militar, com combustível nuclear por muitos anos, alimentando esses reatores durante sua vida útil (entre quarenta e cinquenta anos).

Alternativamente, o tório como combustível em reatores de fissão, teria vantagens sobre o urânio e os reatores de tório seriam mais seguros.[31][32]

Ver também

Referências

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