Uma breve introdução

Fusão e Fissão Nuclear: uma
breve introdução
Reginaldo A. Zara
CCET-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: Uma breve introdução

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 Nuclear
Fusão Nuclear x Fissão Nuclear
Vantagens



O processo mais limpo
que a fissão  usa
núcleos atômicos leves
(Trítio
e
Deutério,
isótopos do Hidrogênio);
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”;
Os
lixos
radioativos
possuem vidas curtas;
A quantidade de energia
liberada é muito maior na
fusão que na fissão;
Urânio Natural  (0.7% 235U, 99.3% 238U)
Reação em cadeia / Sustentabilidade

Condição necessária para a sustentabilidade da
reação: O número de núcleos que capturam nêutrons e
sofrem fissão tem de ser, em média, igual ao dos
nêutrons resultantes desses processos que vão ser
depois 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 / Sustentabilidade
História (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
O “ciclo” do combustível nuclear

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.
Reator nuclear
Controle 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)
80
70
60
50
40
30
20
10
0
F
ça
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Co
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A
EU
O Lado Bom
Energia 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 Ruim
Em Chernobyl, em 1986, reator explodiu durante
operação de manutenção dos equipamentos da usina.
O Lado Ruim
Bomba A- 1945
Um Grande Problema
O LIXO ATÔMICO
Medindo a Radioatividade
A radiação entra no tubo e
produz
ionização
das
moléculas gasosas, gerando
uma corrente elétrica, cuja
intensidade é registrada.
Contador de Geiger-Müller
A Radioatividade do Cotidiano
Alimentos: 25 mrem(*) por ano
mrem = 1/1000 rem
rem 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 Cotidiano
Radiografia dentária:
20 mrem cada
Energia solar: 11 mrem por ano
A Radioatividade do Cotidiano
Área num raio de 1 km de uma usina
nuclear: 5 mrem por ano
Irradiação 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 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
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 Radioatividade
Alimentos
Irradiados
Aplicações da Radioatividade
Radioterapia
Aplicações da Radioatividade
Datação radioativa