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 O número de núcleos que capturam nêutrons e sofrem fissão tem de capturam nêutrons e sofrem fissão tem de ser, em média, igual ao dos nêutrons ser, em média, igual ao dos nêutrons resultantes desses processos que vão ser 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 / Reação em cadeia / SustentabilidadeSustentabilidade

História (cíclica) de 100 nêutrons numa reação em História (cíclica) de 100 nêutrons numa reação em cadeiacadeia

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 / Reação em cadeia / SustentabilidadeSustentabilidade

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 O “ciclo” do combustível nuclearnuclear

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 globalDas 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 Energia LiberadaLiberada

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 Um Grande ProblemaProblema

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 Aplicações da RadioatividadeRadioatividade

Alimentos Irradiados

Aplicações da Aplicações da RadioatividadeRadioatividade

Radioterapia

Aplicações da RadioatividadeAplicações da Radioatividade

Datação radioativa

http://geocities.yahoo.com.br/chrisriosw/radioatividade.html