32.6: Fissão

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Nov 1, 2022
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- 32.5: Fusão
- 32.7: Armas nucleares

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Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

Defina fissão nuclear.
Discuta como o combustível de fissão reage e descreva o que ele produz.
Descreva reações em cadeia controladas e não controladas.

A fissão nuclear é uma reação na qual um núcleo é dividido (ou fissurado). A fissão controlada é uma realidade, enquanto a fusão controlada é uma esperança para o futuro. Centenas de usinas de fissão nuclear em todo o mundo atestam o fato de que a fissão controlada é prática e, pelo menos no curto prazo, econômica, conforme visto na Figura $\PageIndex{1}$ . Enquanto a energia nuclear foi de pouco interesse por décadas após TMI e Chernobyl (e agora Fukushima Daiichi), as crescentes preocupações com o aquecimento global trouxeram a energia nuclear de volta à mesa como uma alternativa energética viável. No final de 2009, havia 442 reatores operando em 30 países, fornecendo 15% da eletricidade mundial. A França fornece mais de 75% de sua eletricidade com energia nuclear, enquanto os EUA têm 104 reatores em operação fornecendo 20% de sua eletricidade. Austrália e Nova Zelândia não têm nenhuma. A China está construindo usinas nucleares no ritmo de uma partida a cada mês.

A imagem mostra pessoas morando em suas casas localizadas perto de uma usina nuclear. — Figura $\PageIndex{1}$ : As pessoas que vivem perto desta usina nuclear não têm exposição mensurável à radiação que seja rastreável até a usina. Cerca de 16% da energia elétrica mundial é gerada pela fissão nuclear controlada nessas usinas. As torres de resfriamento são as características mais proeminentes, mas não são exclusivas da energia nuclear. O reator está no pequeno prédio abobadado à esquerda das torres. (crédito: Kalmthouts)

A fissão é o oposto da fusão e libera energia somente quando núcleos pesados são divididos. Conforme observado anteriormente, a energia é liberada se os produtos de uma reação nuclear tiverem uma energia de ligação maior por núcleo ( $BE/A$ ) do que os núcleos parentais. $\PageIndex{2}$ A figura mostra que $BE/A$ é maior para núcleos de massa média do que para núcleos pesados, o que implica que quando um núcleo pesado é dividido, os produtos têm menos massa por núcleo, de modo que a massa é destruída e a energia é liberada na reação. A quantidade de energia por reação de fissão pode ser grande, mesmo para os padrões nucleares. O gráfico na Figura $\PageIndex{2}$ mostra $BE/A$ ser de cerca de 7,6 MeV/nucleon para os núcleos mais pesados ( $A$ cerca de 240), enquanto $BE/A$ é de cerca de 8,6 MeV/núcleo para núcleos com $A$ cerca de 120. Assim, se um núcleo pesado se dividir ao meio, cerca de 1 MeV por núcleo, ou aproximadamente 240 MeV por fissão, é liberado. Isso é cerca de 10 vezes a energia por reação de fusão e cerca de 100 vezes a energia da média $\alpha$ $\beta$ , ou $\gamma$ decaimento.

Um nêutron é absorvido por um núcleo, tornando-o mais estreito no meio, finalmente se dividindo em duas partes e ejetando alguns nêutrons. — Figura $\PageIndex{2}$ : A fissão induzida por nêutrons é mostrada. Primeiro, a energia é colocada nesse grande núcleo quando ele absorve um nêutron. Agindo como uma gota de líquido atingida, o núcleo se deforma e começa a se estreitar no meio. Como menos nucleons estão em contato, a força repulsiva de Coulomb é capaz de dividir o núcleo em duas partes, com alguns nêutrons também voando para longe.

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

Calcule a energia liberada na seguinte reação de fissão espontânea:

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

considerando que 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

$\begin{align} m_{products} &= 94.919388 \, u + 139.921610 \, u + 3(1.008665 \, u) \nonumber\\[5pt] &= 237.866993 \, u. \nonumber\end{align} \nonumber$

A massa perdida é a massa de $^{238}U$ menos $m_{products}$ , ou

$\begin{align*} \Delta m &= 238.050784 \, u - 237.8669933 \, u \nonumber\\[5pt] &= 0.183791 \, u\nonumber\end{align*}$

então a energia liberada é

$\begin{align*} E &= (\Delta m)c^2 \nonumber \\[5pt] &= (0.183791 \, u)\dfrac{931.5 \, MeV/c^2}{u}c^2 \nonumber \\[5pt] &= 171.2 \, MeV. \nonumber\end{align*}$

Discussão

Várias coisas importantes surgem neste exemplo. A energia de 171 MeV liberada é grande, mas um pouco menos do que a estimativa anterior de 240 MeV. Isso ocorre porque 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 com cada fissão. Esse é um aspecto extremamente importante da fissão, porque os nêutrons podem induzir mais fissão, permitindo reações em cadeia autossustentáveis.

A fissão espontânea pode ocorrer, mas esse geralmente não é o modo de decaimento mais comum para um determinado nuclídeo. Por exemplo, $^{238}U$ pode fissão espontânea, mas decai principalmente por $\alpha$ emissão. A fissão induzida por nêutrons é crucial, conforme visto na Figura $\PageIndex{2}$ . Sendo sem carga, mesmo os nêutrons de baixa energia podem atingir um núcleo e ser absorvidos quando sentem a atraente força nuclear. Núcleos grandes são descritos por um modelo de gota de líquido com modos de tensão superficial e oscilação, porque o grande número de nucleons age como átomos em uma gota. O nêutron é atraído e, portanto, deposita energia, fazendo com que o núcleo se deforme como uma gota de líquido. Se esticado o suficiente, o núcleo se estreita no meio. O número de nucleons em contato e a força da força nuclear que une o núcleo são reduzidos. A repulsão de Coulomb entre as duas extremidades então consegue fissionar o núcleo, que se estoura como uma gota de água em dois pedaços grandes e alguns nêutrons. A fissão induzida por nêutrons pode ser escrita como

$n + ^AX \rightarrow FF_1 + FF_2 + xn,$

onde $FF_1$ e $FF_2$ estão os dois núcleos filhos, chamados fragmentos de fissão, e $x$ é o número de nêutrons produzidos. Na maioria das vezes, as massas dos fragmentos de fissão não são as mesmas. A maior parte da energia liberada vai para a energia cinética dos fragmentos de fissão, com o restante indo para os nêutrons e estados excitados dos fragmentos. Como os nêutrons podem induzir a fissão, uma reação em cadeia autossustentável é possível, desde que mais de um nêutron seja produzido em média - ou seja, se for $x > 1$ $n + ^AX \rightarrow FF_1 + FF_2 + xn$ . Isso também pode ser visto na Figura $\PageIndex{3}$ .

Um exemplo de uma reação típica de fissão induzida por nêutrons é

$\ce{n} + \ce{_{92}^{235}U} \rightarrow \ce{_{56}^{142}Ba} + \ce{_{36}^{142}Kr} + \ce{3n}.$

Observe que nesta equação, a carga total permanece a mesma (é conservada): $92 + 0 = 56 + 36$ . Além disso, no que diz respeito aos números inteiros, a massa é constante: $1 + 235 = 142 + 91 + 3$ . Isso não é verdade quando consideramos as massas em 6 ou 7 lugares significativos, como no exemplo anterior.

Um núcleo de urânio atingido por um nêutron produz dois fragmentos e três nêutrons, dois dos quais continuam atingindo outros dois núcleos de urânio e, portanto, iniciam uma reação em cadeia. — Figura $\PageIndex{3}$ : A fissão induzida por nêutrons é mostrada. Primeiro, a energia é colocada nesse grande núcleo quando ele absorve um nêutron. Agindo como uma gota de líquido atingida, o núcleo se deforma e começa a se estreitar no meio. Como menos nucleons estão em contato, a força repulsiva de Coulomb é capaz de dividir o núcleo em duas partes, com alguns nêutrons também voando para longe.

Nem todo nêutron produzido pela fissão induz a fissão. Alguns nêutrons escapam do material fissionável, enquanto outros interagem com um núcleo sem produzi-lo em fissão. Podemos aumentar o número de fissões produzidas pelos nêutrons com uma grande quantidade de material fissionável. A quantidade mínima necessária para a fissão autossustentável de um determinado nuclídeo é chamada de massa crítica. Alguns nuclídeos, como $^{239}Pu$ , produzem mais nêutrons por fissão do que outros, como $^{235}U$ . Além disso, alguns nuclídeos são mais fáceis de fazer fissão do que outros. Em particular, $^{235}U$ e $^{239}Pu$ são mais fáceis de fissão do que as muito mais abundantes $^{238}U$ . Ambos os fatores afetam a massa crítica, que é menor para $^{239}Pu$ .

O motivo $^{235}U$ e $^{239}Pu$ a facilidade de fissão $^{238}U$ é que a força nuclear é mais atraente para um número par de nêutrons em um núcleo do que para um número ímpar. Considere que $_{92}^{235}U_{143}$ tem 143 nêutrons e $_{94}^{239}P_{145}$ 145 nêutrons, enquanto $_{92}^{238}U_{146}$ tem 146. Quando um nêutron encontra um núcleo com um número ímpar de nêutrons, a força nuclear é mais atraente, porque o nêutron adicional tornará o número par. Cerca de 2 MeV a mais de energia é depositada no núcleo resultante do que seria o caso se o número de nêutrons já fosse par. Essa energia extra produz maior deformação, tornando a fissão mais provável. Assim, $^{235}U$ e $^{239}Pu$ são combustíveis de fissão superiores. O isótopo $^{235}U$ é apenas 0,72% do urânio natural, enquanto $^{238}U$ é 99,27% e $^{239}Pu$ não existe na natureza. A Austrália tem os maiores depósitos de urânio do mundo, representando 28% do total. Isso é seguido pelo Cazaquistão e Canadá. Os EUA têm apenas 3% das reservas globais.

A maioria dos reatores de fissão utiliza $^{235}U$ , que é separado por algum $^{238}U$ custo. Isso é chamado de enriquecimento. O método de separação mais comum é a difusão gasosa do hexafluoreto de urânio $(UF_6)$ através de membranas. Como $^{235}U$ tem menos massa do que $^{238}U$ , suas $UF_6$ moléculas têm maior velocidade média na mesma temperatura e se difundem mais rapidamente. Outra característica interessante do $^{235}U$ é que ele absorve preferencialmente nêutrons de movimento muito lento (com energias uma fração de eV), enquanto as reações de fissão produzem nêutrons rápidos com energias na ordem de um MeV. Para fazer um reator de fissão autossustentável com $^{235}U$ , é necessário desacelerar (“termalizar”) os nêutrons. A água é muito eficaz, pois os nêutrons colidem com os prótons nas moléculas de água e perdem energia. A figura $\PageIndex{4}$ mostra um esquema do projeto de um reator, chamado de reator de água pressurizada.

A figura mostra um recipiente blindado contendo barras de combustível e barras de controle, juntamente com um moderador em uma câmara, da qual o calor é retirado para a outra câmara para transformar a água em vapor. Em seguida, o vapor é retirado da embarcação para operar uma turbina e, em seguida, é condensado e enviado de volta para o recipiente fechado. — Figura $\PageIndex{4}$ : Um reator de água pressurizada é habilmente projetado para controlar a fissão de grandes quantidades de $^{235}U$ , enquanto usa o calor produzido na reação de fissão para criar vapor para gerar energia elétrica. As barras de controle ajustam o fluxo de nêutrons para que a criticidade seja obtida, mas não excedida. Caso o reator superaqueça e ferva a água, a reação em cadeia termina, porque é necessária água para termalizar os nêutrons. Esse recurso de segurança inerente pode ser sobrecarregado em circunstâncias extremas.

Barras de controle contendo nuclídeos que absorvem fortemente nêutrons são usadas para ajustar o fluxo de nêutrons. Para produzir grande potência, os reatores contêm centenas a milhares de massas críticas, e a reação em cadeia facilmente se torna autossustentável, uma condição chamada criticidade. O fluxo de nêutrons deve ser cuidadosamente regulado para evitar um aumento exponencial nas fissões, uma condição chamada supercriticalidade. As barras de controle ajudam a evitar o superaquecimento, talvez até mesmo um derretimento ou uma desmontagem explosiva. A água usada para termalizar os nêutrons, necessária para que eles induzam a fissão e alcancem $^{235}U$ a criticidade, fornece um feedback negativo para aumentos de temperatura. Caso o reator superaqueça e ferva a água até vaporizar ou seja violado, a ausência de água mata a reação em cadeia. Um calor considerável, no entanto, ainda pode ser gerado pelos produtos de fissão radioativa do reator. Outros recursos de segurança, portanto, precisam ser incorporados no caso de um acidente com perda de refrigerante, incluindo água de resfriamento auxiliar e bombas.

Exemplo $\PageIndex{3}$ : Calculating Energy from a Kilogram of Fissionable Fuel

Calcule a quantidade de energia produzida pela fissão de 1,00 kg de $\ce{^{235}U}$ , dada a reação média de fissão de $\ce{^{235}U}$ 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,

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

Portanto, a energia total liberada é

$\begin{align} E &= (2.56 \times 10^{24} \, ^{235}U) \left(\dfrac{200 \, MeV}{^{235}U} \right) \left(\dfrac{1.60 \times 10^{-13} \, J}{MeV}\right) \nonumber \\[5pt] &= 8.21 \times 10^{13} \, J. \nonumber \end{align}\nonumber$

Discussão

Essa é outra quantidade impressionantemente grande de energia, equivalente a cerca de 14.000 barris de petróleo bruto ou 600.000 galões de gasolina. Mas, 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 dez 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 de fusão e menos de 1% de urânio (o $^{235}U)$ é facilmente utilizável).

Um nuclídeo já mencionado é $^{239}Pu$ o que tem meia-vida de 24.120 anos e não existe na natureza. O plutônio-239 é fabricado $^{238}U$ em reatores e oferece a oportunidade de utilizar os outros 99% do urânio natural como fonte de energia. A sequência de reação a seguir, chamada reprodução, produz $^{239}Pu$ . A reprodução começa com a captura de nêutrons por $^{238}U$ .

$\ce{^{238}U + n \rightarrow ^{239}U + \gamma}.$

O urânio-239 então $\beta^-$ decai:

$\ce{^{239}U \rightarrow ^{239}Np + \beta^- + \nu_e } \,(t_{1/2} = 23 \, min).$

O neptúnio-239 também $\beta^-$ decai:

$\ce{^{239}Np \rightarrow ^{239}Pu + \beta^- + \nu_e } \,(t_{1/2} = 2.4 \, d).$

O plutônio-239 se acumula no combustível do reator a uma taxa que depende da probabilidade de captura de nêutrons por $^{238}U$ (todo o combustível do reator contém $^{238}U$ mais de $^{235}U$ ). Os reatores projetados especificamente para produzir plutônio são chamados de reatores reprodutores. Eles parecem ser inerentemente mais perigosos do que os reatores convencionais, mas ainda não se sabe se seus riscos podem ser economicamente aceitáveis. Os quatro reatores em Chernobyl, incluindo o que foi destruído, foram construídos para produzir plutônio e produzir eletricidade. Esses reatores tinham um design significativamente diferente do reator de água pressurizada ilustrado acima.

O plutônio-239 tem vantagens em relação ao $^{235}U$ combustível de reator — ele produz mais nêutrons por fissão, em média, e é mais fácil para um nêutron térmico causar fissão. Também é quimicamente diferente do urânio, por isso é inerentemente mais fácil separá-lo do minério de urânio. Isso significa que $^{239}Pu$ tem uma massa crítica particularmente pequena, uma vantagem para as armas nucleares.

EXPLORAÇÕES DE PHET: FISSÃO NUCLEAR

Inicie uma reação em cadeia ou introduza isótopos não radioativos para evitar uma. Controle a produção de energia em um reator nuclear!

Resumo

A fissão nuclear é uma reação na qual um núcleo é dividido.
A fissão libera energia quando núcleos pesados são divididos em núcleos de massa média.
A fissão autossustentável é possível, porque a fissão induzida por nêutrons também produz nêutrons que podem induzir outras fissões $n + ^AX \rightarrow FF_1 + FF_2 + xn$ , onde $FF_1$ e $FF_2$ são os dois núcleos filhos, ou fragmentos de fissão, e x é o número de nêutrons produzidos.
Uma massa mínima, chamada massa crítica, deve estar presente para alcançar a criticidade.
Mais do que uma massa crítica pode produzir supercriticidade.
A produção de isótopos novos ou diferentes (especialmente $^{239}Pu$ ) por transformação nuclear é chamada de reprodução, e os reatores projetados para esse fim são chamados de reatores reprodutores.

Glossário

reatores reprodutores: reatores projetados especificamente para produzir plutônio

reprodução: processo de reação que produz $^{239}Pu$

criticamente: condição na qual uma reação em cadeia se torna facilmente autossustentável

massa crítica: quantidade mínima necessária para a fissão autossustentável de um determinado nuclídeo

fragmentos de fissão: um núcleo filho

modelo de gota de líquido: um modelo de núcleo (apenas para entender algumas de suas características) no qual os nucleons em um núcleo agem como átomos em uma gota

fissão nuclear: reação na qual um núcleo se divide

fissão induzida por nêutrons: fissão que é iniciada após a absorção do nêutron

supercriticidade: um aumento exponencial nas fissões