10.6: Fissão

Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

• Descreva o processo de fissão nuclear em termos de seu produto e reagentes
• Calcule as energias das partículas produzidas por uma reação de fissão
• Explicar o conceito de fissão no contexto de bombas de fissão e reações nucleares

Em 1934, Enrico Fermi bombardeou elementos químicos com nêutrons para criar isótopos de outros elementos. Ele presumiu que bombardear urânio com nêutrons o tornaria instável e produziria um novo elemento. Infelizmente, Fermi não conseguiu determinar os produtos da reação. Vários anos depois, Otto Hahn e Fritz Strassman reproduziram esses experimentos e descobriram que os produtos dessas reações eram núcleos menores. A partir disso, eles concluíram que o núcleo de urânio havia se dividido em dois núcleos menores.

Figura\(\PageIndex{1}\): A usina nuclear de Phillipsburg, na Alemanha, usa um reator de fissão para gerar eletricidade.

A divisão de um núcleo é chamada de fissão. Curiosamente, a fissão U-235 nem sempre produz os mesmos fragmentos. Exemplos de reações de fissão incluem:

\[\ce{_0^1n + _{92}^{235}U \rightarrow _{56}^{141}Ba + _{36}^{92}Kr + 3_0^1n + Q,} \nonumber \]

\[\ce{_0^1n + _{92}^{235}U \rightarrow _{54}^{140}Xe + _{38}^{94}Sr + 2_0^1n + Q,} \nonumber \]

\[\ce{_0^1n + _{92}^{235}U \rightarrow _{50}^{132}Sn + _{42}^{101}Mo + 3_0^1n + Q,} \nonumber \]

Em cada caso, a soma das massas dos núcleos do produto é menor que as massas dos reagentes, então a fissão do urânio é um processo exotérmico\((Q > 0)\). Essa é a ideia por trás do uso de reatores de fissão como fontes de energia (Figura\(\PageIndex{1}\)). A energia transportada pela reação assume a forma de partículas com energia cinética. O rendimento percentual dos fragmentos de uma fissão U-235 é dado na Figura\(\PageIndex{2}\).

Figura\(\PageIndex{2}\): Neste gráfico de fragmentos de fissão do U-235, os picos no gráfico indicam núcleos que são produzidos em maior abundância pelo processo de fissão.

As mudanças de energia em uma reação de fissão nuclear podem ser entendidas em termos da energia de ligação por curva de núcleo. O valor do BEN para o urânio\((A = 236)\) é um pouco menor do que seus núcleos filhos, que estão mais próximos do pico do ferro (Fe). Isso significa que os nucleons nos fragmentos nucleares estão mais estreitamente ligados do que os do núcleo U-235. Portanto, uma reação de fissão resulta em uma queda na energia média de um nucleon. Essa energia é transportada por nêutrons de alta energia.

Niels Bohr e John Wheeler desenvolveram o modelo de gota de líquido para entender o processo de fissão. De acordo com esse modelo, disparar um nêutron em um núcleo é análogo a perturbar uma gota de água (Figura\(\PageIndex{3}\)). A analogia funciona porque as forças de curto alcance entre os nucleons em um núcleo são semelhantes às forças de atração entre as moléculas de água em uma gota de água. Em particular, as forças entre os nucleons na superfície do núcleo resultam em uma tensão superficial semelhante à de uma gota de água. Um nêutron disparado contra um núcleo de urânio pode colocar o núcleo em vibração. Se essa vibração for violenta o suficiente, o núcleo se divide em núcleos menores e também emite dois ou três nêutrons individuais.

Figura\(\PageIndex{3}\): No modelo de gota líquida da fissão nuclear, o núcleo de urânio é dividido em dois núcleos mais leves por um nêutron de alta energia.

A fissão U-235 pode produzir uma reação nuclear em cadeia. Em um composto composto composto por muitos núcleos U-235, os nêutrons no decaimento de um núcleo U-235 podem iniciar a fissão de núcleos adicionais do U-235 (Figura\(\PageIndex{4}\)). Essa reação em cadeia pode ocorrer de forma controlada, como em um reator nuclear em uma usina, ou prosseguir de forma incontrolável, como em uma explosão.

Figura\(\PageIndex{4}\): Em uma reação em cadeia de fissão U-235, a fissão do núcleo m produz nêutrons de alta energia que dividem mais núcleos. A energia liberada nesse processo pode ser usada para produzir eletricidade.

Veja uma simulação de fissão nuclear para iniciar uma reação em cadeia, ou introduza isótopos não radioativos para evitar uma. Controle a produção de energia em um reator nuclear.

A bomba atômica

A possibilidade de uma reação em cadeia no urânio, com sua liberação de energia extremamente grande, levou cientistas nucleares a conceberem a criação de uma bomba — uma bomba atômica. (Essas descobertas ocorreram nos anos imediatamente anteriores à Segunda Guerra Mundial e muitos dos físicos europeus envolvidos nessas descobertas vieram de países que estavam sendo invadidos.) O urânio natural contém\(99.3\%\) U-238 e somente\(0.7\%\) U-235 e não produz uma reação em cadeia. Para produzir uma reação em cadeia controlada e sustentável, a porcentagem de U-235 deve ser aumentada para aproximadamente\(50\%\). Além disso, a amostra de urânio deve ser grande o suficiente para que um nêutron típico tenha maior probabilidade de induzir fissão do que de escapar. A massa mínima necessária para que a reação em cadeia ocorra é chamada de massa crítica. Quando a massa crítica atinge um ponto em que a reação em cadeia se torna autossustentável, essa é uma condição conhecida como criticidade. O design original exigia duas peças de U-235 abaixo da massa crítica. Quando uma peça na forma de uma bala é disparada contra a segunda peça, a massa crítica é excedida e uma reação em cadeia é produzida.

Um obstáculo importante para a bomba U-235 é a produção de uma massa crítica de material fissionável. Portanto, os cientistas desenvolveram uma bomba de plutônio-239 porque o Pu-239 é mais fissionável que o U-235 e, portanto, requer uma massa crítica menor. A bomba foi feita na forma de uma esfera com pedaços de plutônio, cada um abaixo da massa crítica, na borda da esfera. Uma série de explosões químicas disparou os pedaços de plutônio em direção ao centro da esfera simultaneamente. Quando todos esses pedaços de plutônio se juntaram, a combinação excedeu a massa crítica e produziu uma reação em cadeia. As bombas U-235 e Pu-239 foram usadas na Segunda Guerra Mundial. O desenvolvimento e o uso de armas atômicas continuam sendo duas das questões mais importantes enfrentadas pela civilização humana.

Exemplo\(\PageIndex{1}\): Calculating Energy Released by Fission

Calcule a energia liberada na seguinte reação rara de fissão espontânea:

\[\ce{^{238}U \rightarrow ^{95}Sr + ^{140}Xe + 3n,} \nonumber \]

As massas atômicas são\(m(^{238}U) = 238.050784 \, u\)\(m(^{95}Sr) = 94.919388 \, u\)\(m(^{140}Xe) = 139.921610 \, u\),,\(m(n) = 1.008665 \, u\) e.

Estratégia

Como sempre, a energia liberada é igual à massa destruída vezes\(c^2\), então devemos encontrar a diferença de massa entre o pai\(^{238}U\) e os produtos da fissão.

Solução

Os produtos têm uma massa total de

\[m_{products} = 94.919388 \, u + 139.921610 \, u + 3(1.008665 \, u) \nonumber \]

\[= 237.866993 \, u. \nonumber \]

A massa perdida é a massa de\(^{238}U - m_{products}\) ou

\[\Delta m = 238.050784 \, u - 237.8669933 \, u = 0.183791 \, u. \nonumber \]

Portanto, a energia liberada é

\[E = (\Delta m)c^2 = (0.183791 \, u) \frac{931.5 \, MeV/c^2}{u}c^2 = 171.2 \, MeV. \nonumber \]

Significância

Várias coisas importantes surgem neste exemplo. A liberação de energia é grande, mas menor do que seria se o núcleo se dividisse em duas partes iguais, já que a energia é levada pelos nêutrons. No entanto, essa reação de fissão produz nêutrons e não divide o núcleo em duas partes iguais. A fissão de um determinado nuclídeo\(^{238}U\), como, nem sempre produz os mesmos produtos. A fissão é um processo estatístico no qual toda uma gama de produtos é produzida com várias probabilidades. A maior parte da fissão produz nêutrons, embora o número varie. Esse é um aspecto extremamente importante da fissão, porque os nêutrons podem induzir mais fissão, permitindo reações em cadeia autossustentáveis.

Reatores nucleares de fissão

O primeiro reator nuclear foi construído por Enrico Fermi em uma quadra de squash no campus da Universidade de Chicago em 2 de dezembro de 1942. O próprio reator continha U-238 enriquecido com\(3.6\%\) U-235. Os nêutrons produzidos pela reação em cadeia se movem rápido demais para iniciar reações de fissão. Uma forma de desacelerá-los é colocar todo o reator em um banho de água sob alta pressão. Os nêutrons colidem com as moléculas de água e são lentos o suficiente para serem usados no processo de fissão. Os nêutrons mais lentos dividem mais núcleos de U-235 e ocorre uma reação em cadeia. A taxa na qual a reação em cadeia prossegue é controlada por uma série de barras de “controle” feitas de cádmio inseridas no reator. O cádmio é capaz de absorver um grande número de nêutrons sem se tornar instável.

Um projeto de reator nuclear, chamado de reator de água pressurizada, também pode ser usado para gerar eletricidade (Figura\(\PageIndex{5}\)). Um reator de água pressurizada (à esquerda na figura) foi projetado para controlar a fissão de grandes quantidades de\(^{235}U\). A energia liberada nesse processo é absorvida pela água que flui pelos tubos do sistema (o “circuito primário”) e o vapor é produzido. As barras de controle de cádmio ajustam o fluxo de nêutrons (a taxa de fluxo dos nêutrons que passam pelo sistema) e, portanto, controlam a reação. Caso o reator superaqueça e a água ferva, a reação em cadeia termina, porque a água é usada para termalizar os nêutrons. (Esse recurso de segurança pode ser sobrecarregado em circunstâncias extremas.) A água quente e de alta pressão passa então por um cano para um segundo tanque de água à pressão normal no gerador de vapor. O vapor produzido em uma extremidade do gerador de vapor enche uma câmara que contém uma turbina. Esse vapor está em uma pressão muito alta. Enquanto isso, um condensador de vapor conectado ao outro lado da câmara da turbina mantém o vapor em baixa pressão. As diferenças de pressão forçam o vapor através da câmara, que gira a turbina. A turbina, por sua vez, alimenta um gerador elétrico.

Figura\(\PageIndex{5}\): Um reator nuclear usa a energia produzida na fissão do U-235 para produzir eletricidade. A energia de uma reação de fissão nuclear produz vapor quente de alta pressão que gira uma turbina. Quando a turbina gira, a eletricidade é produzida.

A principal desvantagem de um reator de fissão é o lixo nuclear. A fissão U-235 produz núcleos com meia-vida longa, como\(^{238}U\) os que devem ser armazenados. Esses produtos não podem ser despejados nos oceanos ou deixados em nenhum lugar onde possam contaminar o meio ambiente, como por meio do solo, do ar ou da água. Muitos cientistas acreditam que o melhor lugar para armazenar resíduos nucleares é o fundo de antigas minas de sal ou dentro de montanhas estáveis.

Muitas pessoas temem que um reator nuclear possa explodir como uma bomba atômica. No entanto, um reator nuclear não contém U-235 suficiente para fazer isso. Além disso, um reator nuclear é projetado para que a falha de qualquer mecanismo do reator faça com que as barras de controle de cádmio caiam totalmente no reator, interrompendo o processo de fissão. Conforme evidenciado pelos desastres de Fukushima e Chernobyl, esses sistemas podem falhar. Sistemas e procedimentos para evitar tais desastres são uma prioridade importante para os defensores da energia nuclear.

Reatores reprodutores

Se toda a energia elétrica fosse produzida pela fissão nuclear do U-235, as reservas conhecidas de urânio da Terra seriam esgotadas em menos de um século. No entanto, o suprimento de material fissionável da Terra pode ser expandido consideravelmente usando um reator reprodutor. Um reator reprodutor opera pela primeira vez usando a fissão do U-235, conforme descrito anteriormente para o reator de água pressurizada. Mas, além de produzir energia, alguns dos nêutrons rápidos provenientes da fissão do U-235 são absorvidos pelo U-238, resultando na produção de Pu-239 por meio do conjunto de reações

\[\ce{_0^1n + _{92}^{238}U \rightarrow _{92}^{239}U \rightarrow _{93}^{239}Np \rightarrow _{94}^{239}Pu.} \nonumber \]

O próprio Pu-239 é altamente fissionável e, portanto, pode ser usado como combustível nuclear no lugar do U-235. Como\(99.3\%\) o urânio natural é o isótopo U-238, o uso de reatores reprodutores deve aumentar nosso suprimento de combustível nuclear em aproximadamente um fator de 100. Os reatores reprodutores estão agora em operação na Grã-Bretanha, França e Rússia. Os reatores reprodutores também apresentam desvantagens. Primeiro, os reatores reprodutores produzem plutônio, que pode, se vazado para o meio ambiente, produzir sérios problemas de saúde pública. Em segundo lugar, o plutônio pode ser usado para construir bombas, aumentando significativamente o risco de proliferação nuclear.

Exemplo\(\PageIndex{2}\): Calculating Energy of Fissionable Fuel

Calcule a quantidade de energia produzida pela fissão de 1,00 kg de\(^{235}U\) dado que a reação de fissão média de\(^{235}U\) produz 200 MeV.

Estratégia

A energia total produzida é o número de\(^{235}U\) átomos vezes a energia dada por\(^{235}U\) fissão. Devemos, portanto, encontrar o número de\(^{235}U\) átomos em 1,00 kg.

Solução

O número de\(^{235}U\) átomos em 1,00 kg é o número de Avogadro vezes o número de moles. Um mol de\(^{235}U\) tem uma massa de 235,04 g; portanto, existem\((1000 \, g)/(235.04 \, g/mol) = 4.25 \, mol\). O número de\(^{235}U\) átomos é, portanto,

\[(4.25 \, mol)(6.02 \times 10^{23})^{235}U/mol = (2.56 \times 10^{24})^{235}U. \nonumber \]

Assim, a energia total liberada é

\[E = (2.56 \times 10^{24})^{235}U \left(\frac{200 \, MeV}{^{235}U} \right) \left(\frac{1.60 \times 10^{-13} \, J}{MeV} \right) = 8.21 \times 10^{13} \, J \nonumber \]

Significância

Essa é outra quantidade impressionantemente grande de energia, equivalente a cerca de 14.000 barris de petróleo bruto ou 600.000 galões de gasolina. No entanto, é apenas um quarto da energia produzida pela fusão de um quilograma de mistura de deutério e trítio. Embora cada reação de fissão produza cerca de 10 vezes a energia de uma reação de fusão, a energia por quilograma de combustível de fissão é menor, porque há muito menos moles por quilograma de nuclídeos pesados. O combustível de fissão também é muito mais escasso do que o combustível\(1\%\) de fusão, e menos de urânio (o\(^{235}U\)) é facilmente utilizável.

Exercício\(\PageIndex{1}\)

Qual tem um maior rendimento de energia por reação de fissão, uma amostra grande ou pequena de puro\(^{235}U\)?

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