21.4: Transmutação e energia nuclear

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Objetivos de

Descreva a síntese de nuclídeos de transurânio
Explicar os processos de fissão e fusão nucleares
Relacione os conceitos de massa crítica e reações nucleares em cadeia
Resuma os requisitos básicos para reatores nucleares de fissão e fusão

Após a descoberta da radioatividade, o campo da química nuclear foi criado e desenvolvido rapidamente durante o início do século XX. Uma série de novas descobertas nas décadas de 1930 e 1940, junto com a Segunda Guerra Mundial, combinadas para inaugurar a Era Nuclear em meados do século XX. A ciência aprendeu a criar novas substâncias, e descobriu-se que certos isótopos de certos elementos possuem a capacidade de produzir quantidades de energia sem precedentes, com o potencial de causar enormes danos durante a guerra, bem como produzir enormes quantidades de energia para as necessidades da sociedade durante a paz.

Síntese de nuclídeos

A transmutação nuclear é a conversão de um nuclídeo em outro. Pode ocorrer pelo decaimento radioativo de um núcleo ou pela reação de um núcleo com outra partícula. O primeiro núcleo artificial foi produzido no laboratório de Ernest Rutherford em 1919 por uma reação de transmutação, o bombardeio de um tipo de núcleo com outros núcleos ou com nêutrons. Rutherford bombardeou átomos de nitrogênio com partículas α de alta velocidade de um isótopo radioativo natural de rádio e observou prótons resultantes da reação:

\[\ce{^{14}_7N + ^4_2He ⟶ ^{17}_8O + ^1_1H} \nonumber \]

Os\(\ce{^1_1H}\) núcleos\(\ce{^{17}_8O}\) e produzidos são estáveis, portanto, nenhuma outra mudança (nuclear) ocorre.

Para alcançar as energias cinéticas necessárias para produzir reações de transmutação, dispositivos chamados aceleradores de partículas são usados. Esses dispositivos usam campos magnéticos e elétricos para aumentar a velocidade das partículas nucleares. Em todos os aceleradores, as partículas se movem no vácuo para evitar colisões com moléculas de gás. Quando os nêutrons são necessários para reações de transmutação, eles geralmente são obtidos de reações de decaimento radioativo ou de várias reações nucleares que ocorrem em reatores nucleares. O artigo Chemistry in Everyday Life, a seguir, discute um famoso acelerador de partículas que virou notícia mundial.

Acelerador de partículas CERN

Localizado perto de Genebra, o Laboratório do CERN (“Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire”, ou Conselho Europeu de Pesquisa Nuclear) é o principal centro mundial para as investigações das partículas fundamentais que compõem a matéria. Ele contém o Large Hadron Collider (LHC) circular de 27 quilômetros (17 milhas) de comprimento, o maior acelerador de partículas do mundo (Figura\(\PageIndex{1}\)). No LHC, as partículas são impulsionadas para altas energias e, em seguida, são obrigadas a colidir umas com as outras ou com alvos estacionários quase à velocidade da luz. Eletroímãs supercondutores são usados para produzir um forte campo magnético que guia as partículas ao redor do anel. Detectores especializados e construídos especificamente para esse fim observam e registram os resultados dessas colisões, que são então analisadas pelos cientistas do CERN usando computadores poderosos.

alt — Figura\(\PageIndex{1}\): Uma pequena seção do LHC é mostrada com trabalhadores viajando ao longo dela. (crédito: Christophe Delaere)

Em 2012, o CERN anunciou que experimentos no LHC mostraram as primeiras observações do bóson de Higgs, uma partícula elementar que ajuda a explicar a origem da massa em partículas fundamentais. Essa descoberta há muito esperada virou notícia mundial e resultou na concessão do Prêmio Nobel de Física de 2103 a François Englert e Peter Higgs, que haviam previsto a existência dessa partícula quase 50 anos antes.

Antes de 1940, o elemento mais pesado conhecido era o urânio, cujo número atômico é 92. Agora, muitos elementos artificiais foram sintetizados e isolados, incluindo vários em uma escala tão grande que tiveram um efeito profundo na sociedade. Um deles — elemento 93, neptúnio (Np) — foi feito pela primeira vez em 1940 por McMillan e Abelson bombardeando urânio-238 com nêutrons. A reação cria urânio-239 instável, com meia-vida de 23,5 minutos, que então decai em neptúnio-239. O neptúnio-239 também é radioativo, com meia-vida de 2,36 dias, e decai em plutônio-239. As reações nucleares são:

\ [\ begin {align*}
\ ce {^ {238} _ {92} U + ^1_0n &⟶ ^ {239} _ {92} U} &&\\ [4pt]
&\ ce {^ {239} _ {92} U &⟶ ^ {239} _ {93} Np + ^0_ {−1} e\,\,\,\ mathit {t} _ {1/2}} &&\ textrm {meia-vida} =\ mathrm {23,5\: min}\\ [4pt]
&\ ce {^ {239} _ {93} Não &⟶ ^ {239} _ {94} Pu + ^0_ {−1 } e\,\,\,\ mathit {t} _ {1/2}} &&\ textrm {meia-vida} =\ mathrm {2,36\: dias}
\ end {align*}\ nonumber\]

O plutônio agora é formado principalmente em reatores nucleares como um subproduto durante a decomposição do urânio. Alguns dos nêutrons que são liberados durante o decaimento do U-235 se combinam com os núcleos do U-238 para formar urânio-239; isso sofre decaimento β para formar neptúnio-239, que por sua vez sofre decaimento β para formar plutônio-239, conforme ilustrado nas três equações anteriores. É possível resumir essas equações como:

\[\mathrm{\ce{^{238}_{92}U} + {^1_0n}⟶ \ce{^{239}_{92}U} \xrightarrow{β^-} \ce{^{239}_{93}Np} \xrightarrow{β^-} \ce{^{239}_{94}Pu}} \nonumber \]

Isótopos mais pesados de plutônio — Pu-240, Pu-241 e Pu-242 — também são produzidos quando núcleos de plutônio mais leves capturam nêutrons. Parte desse plutônio altamente radioativo é usado para produzir armas militares, e o resto apresenta um sério problema de armazenamento porque elas têm meia-vida de milhares a centenas de milhares de anos.

Embora não tenham sido preparados na mesma quantidade que o plutônio, muitos outros núcleos sintéticos foram produzidos. A medicina nuclear se desenvolveu a partir da capacidade de converter átomos de um tipo em outros tipos de átomos. Isótopos radioativos de várias dezenas de elementos são usados atualmente para aplicações médicas. A radiação produzida por sua decomposição é usada para obter imagens ou tratar vários órgãos ou partes do corpo, entre outros usos.

Os elementos além do elemento 92 (urânio) são chamados de elementos de transurânio. Até o momento em que este artigo foi escrito, 22 elementos de transurânio foram produzidos e reconhecidos oficialmente pela IUPAC; vários outros elementos têm reivindicações de formação que estão aguardando aprovação. Alguns desses elementos são mostrados na Tabela\(\PageIndex{1}\).

Tabela\(\PageIndex{1}\): Preparação de alguns dos elementos de transurânio
Nome	Símbolo	Número atômico	Reação
amerício	Sou	95	\(\ce{^{239}_{94}Pu + ^1_0n ⟶ ^{240}_{95}Am + ^0_{−1}e}\)
cúrio	Cm	96	\(\ce{^{239}_{94}Pu + ^4_2He ⟶ ^{242}_{96}Cm + ^1_0n}\)
califórnio	Cf	98	\(\ce{^{242}_{96}Cm + ^4_2He⟶ ^{245}_{98}Cf + ^1_0n}\)
einsteínio	Es	99	\(\ce{^{238}_{92}U + 15^1_0n⟶ ^{253}_{99}Es + 7^0_{−1}e}\)
mendelevium	Md	101	\(\ce{^{253}_{99}Es + ^4_2He ⟶ ^{256}_{101}Md + ^1_0n}\)
nobélio	Não	102	\(\ce{^{246}_{96}Cm + ^{12}_6C ⟶ ^{254}_{102}No + 4 ^1_0n}\)
rutherfórdio	Rf	104	\(\ce{^{249}_{98}Cf + ^{12}_6C⟶ ^{257}_{104}Rf + 4 ^1_0n}\)
borgium marinho	Sg	106	\(\ce{^{206}_{82}Pb + ^{54}_{24}Cr ⟶ ^{257}_{106}Sg + 3 ^1_0n}\) \(\ce{^{249}_{98}Cf + ^{18}_8O ⟶ ^{263}_{106}Sg + 4 ^1_0n}\)
meteoro	Monte	107	\(\ce{^{209}_{83}Bi + ^{58}_{26}Fe ⟶ ^{266}_{109}Mt + ^1_0n}\)

Fissão nuclear

Muitos elementos mais pesados com energias de ligação menores por núcleo podem se decompor em elementos mais estáveis que têm números de massa intermediários e maiores energias de ligação por núcleo - ou seja, números de massa e energias de ligação por núcleo que estão mais próximos do “pico” do gráfico de energia de ligação próximo a 56. Às vezes, os nêutrons também são produzidos. Essa decomposição é chamada de fissão, a quebra de um núcleo grande em pedaços menores. A quebra é bastante aleatória com a formação de um grande número de produtos diferentes. A fissão geralmente não ocorre naturalmente, mas é induzida pelo bombardeio com nêutrons. A primeira fissão nuclear relatada ocorreu em 1939, quando três cientistas alemães, Lise Meitner, Otto Hahn e Fritz Strassman, bombardearam átomos de urânio-235 com nêutrons de movimento lento que dividiram os núcleos do U-238 em fragmentos menores que consistiam em vários nêutrons e elementos próximos ao meio do periódico mesa. Desde então, a fissão foi observada em muitos outros isótopos, incluindo a maioria dos isótopos de actinídeos que têm um número ímpar de nêutrons. Uma reação típica de fissão nuclear é mostrada na Figura\(\PageIndex{2}\).

Figura\(\PageIndex{2}\): Quando um nêutron lento atinge um núcleo U-235 fissionável, ele é absorvido e forma um núcleo U-236 instável. O núcleo U-236 então se divide rapidamente em dois núcleos menores (neste caso, Ba-141 e Kr-92) junto com vários nêutrons (geralmente dois ou três) e libera uma quantidade muito grande de energia.

Entre os produtos da reação de fissão de Meitner, Hahn e Strassman estavam bário, criptônio, lantânio e cério, todos com núcleos mais estáveis que o urânio-235. Desde então, centenas de isótopos diferentes foram observados entre os produtos de substâncias fissionáveis. Algumas das muitas reações que ocorrem para o U-235 e um gráfico mostrando a distribuição de seus produtos de fissão e seus rendimentos são mostrados na Figura\(\PageIndex{3}\). Reações de fissão semelhantes foram observadas com outros isótopos de urânio, bem como com uma variedade de outros isótopos, como os de plutônio.

Figura\(\PageIndex{3}\): (a) A fissão nuclear do U-235 produz uma variedade de produtos de fissão. (b) Os maiores produtos de fissão do U-235 são tipicamente um isótopo com um número de massa em torno de 85—105 e outro isótopo com um número de massa cerca de 50% maior, ou seja, cerca de 130—150.

Uma quantidade enorme de energia é produzida pela fissão de elementos pesados. Por exemplo, quando um mol de U-235 sofre fissão, os produtos pesam cerca de 0,2 gramas a menos que os reagentes; essa massa “perdida” é convertida em uma quantidade muito grande de energia, cerca de 1,8 × 10 ¹⁰ kJ por mol de U-235. As reações de fissão nuclear produzem quantidades incrivelmente grandes de energia em comparação com as reações químicas. A fissão de 1 kg de urânio-235, por exemplo, produz cerca de 2,5 milhões de vezes mais energia do que a produzida pela queima de 1 kg de carvão.

Conforme descrito anteriormente, quando submetido à fissão, o U-235 produz dois núcleos de “tamanho médio” e dois ou três nêutrons. Esses nêutrons podem então causar a fissão de outros átomos de urânio-235, que por sua vez fornecem mais nêutrons que podem causar a fissão de ainda mais núcleos, e assim por diante. Se isso ocorrer, teremos uma reação em cadeia nuclear (Figura\(\PageIndex{4}\)). Por outro lado, se muitos nêutrons escaparem do material a granel sem interagir com um núcleo, nenhuma reação em cadeia ocorrerá.

Figura\(\PageIndex{4}\): A fissão de um núcleo grande, como o U-235, produz dois ou três nêutrons, cada um dos quais é capaz de causar a fissão de outro núcleo pelas reações mostradas. Se esse processo continuar, ocorre uma reação nuclear em cadeia.

Diz-se que o material que pode sustentar uma reação em cadeia de fissão nuclear é fóssil ou fissionável. (Tecnicamente, o material cindível pode sofrer fissão com nêutrons de qualquer energia, enquanto o material fissionável requer nêutrons de alta energia.) A fissão nuclear se torna autossustentável quando o número de nêutrons produzidos pela fissão é igual ou superior ao número de nêutrons absorvidos pela divisão dos núcleos mais o número que escapam para os arredores. A quantidade de um material fissionável que suportará uma reação em cadeia autossustentável é uma massa crítica. Uma quantidade de material fissionável que não consegue sustentar uma reação em cadeia é uma massa subcrítica. Uma quantidade de material na qual há uma taxa crescente de fissão é conhecida como massa supercrítica. A massa crítica depende do tipo de material: sua pureza, a temperatura, a forma da amostra e como as reações de nêutrons são controladas (Figura\(\PageIndex{5}\)).

Figura\(\PageIndex{5}\): (a) Em uma massa subcrítica, o material físil é muito pequeno e permite que muitos nêutrons escapem do material, portanto, uma reação em cadeia não ocorre. (b) Em uma massa crítica, um número suficiente de nêutrons no material cindível induz a fissão para criar uma reação em cadeia.

Uma bomba atômica (Figura\(\PageIndex{6}\)) contém vários quilos de material fissionável\(\ce{^{235}_{92}U}\) ou\(\ce{^{239}_{94}Pu}\) uma fonte de nêutrons e um dispositivo explosivo para comprimi-la rapidamente em um pequeno volume. Quando o material fissionável está em pequenos pedaços, a proporção de nêutrons que escapam pela área de superfície relativamente grande é grande e não ocorre uma reação em cadeia. Quando os pequenos pedaços de material fissionável são reunidos rapidamente para formar um corpo com uma massa maior que a massa crítica, o número relativo de nêutrons que escapam diminui e ocorre uma reação em cadeia e uma explosão.

Figura\(\PageIndex{6}\): (a) A bomba de fissão nuclear que destruiu Hiroshima em 6 de agosto de 1945 consistia em duas massas subcríticas de U-235, onde explosivos convencionais foram usados para disparar uma das massas subcríticas contra a outra, criando a massa crítica para a explosão nuclear. (b) A bomba de plutônio que destruiu Nagasaki em 12 de agosto de 1945 consistia em uma esfera oca de plutônio que foi rapidamente comprimida por explosivos convencionais. Isso levou a uma concentração de plutônio no centro que era maior do que a massa crítica necessária para a explosão nuclear.

Reatores de fissão

As reações em cadeia de materiais fissionáveis podem ser controladas e sustentadas sem uma explosão em um reator nuclear (Figura\(\PageIndex{7}\)). Qualquer reator nuclear que produza energia por meio da fissão de urânio ou plutônio por bombardeio com nêutrons deve ter pelo menos cinco componentes: combustível nuclear composto por material fissionável, um moderador nuclear, refrigerante do reator, barras de controle e um escudo e sistema de contenção. Discutiremos esses componentes com mais detalhes posteriormente na seção. O reator funciona separando o material nuclear fissionável de forma que uma massa crítica não possa ser formada, controlando o fluxo e a absorção de nêutrons para permitir o desligamento das reações de fissão. Em um reator nuclear usado para a produção de eletricidade, a energia liberada pelas reações de fissão é retida como energia térmica e usada para ferver água e produzir vapor. O vapor é usado para girar uma turbina, que alimenta um gerador para a produção de eletricidade.

Figura\(\PageIndex{7}\): (a) A usina nuclear de Diablo Canyon, perto de San Luis Obispo, é a única usina nuclear atualmente em operação na Califórnia. As cúpulas são as estruturas de contenção dos reatores nucleares, e o prédio marrom abriga a turbina onde a eletricidade é gerada. A água do oceano é usada para resfriamento. (b) O Diablo Canyon usa um reator de água pressurizada, um dos poucos projetos diferentes de reatores de fissão em uso em todo o mundo, para produzir eletricidade. A energia das reações de fissão nuclear no núcleo aquece a água em um sistema fechado e pressurizado. O calor desse sistema produz vapor que aciona uma turbina, que por sua vez produz eletricidade. (crédito a: modificação do trabalho de “Mike” Michael L. Baird; crédito b: modificação do trabalho pela Comissão Reguladora Nuclear)

Combustíveis nucleares

O combustível nuclear consiste em um isótopo fissionável, como o urânio-235, que deve estar presente em quantidade suficiente para fornecer uma reação em cadeia autossustentável. Nos Estados Unidos, os minérios de urânio contêm de 0,05 a 0,3% do óxido de urânio U ₃ O ₈; o urânio no minério é cerca de 99,3% U-238 não fissionável com apenas 0,7% de U-235 fissionável. Os reatores nucleares requerem um combustível com uma concentração maior de U-235 do que a encontrada na natureza; normalmente é enriquecido para ter cerca de 5% da massa de urânio como U-235. Nessa concentração, não é possível atingir a massa supercrítica necessária para uma explosão nuclear. O urânio pode ser enriquecido por difusão gasosa (o único método usado atualmente nos EUA), usando uma centrífuga a gás ou por separação a laser.

Na planta de enriquecimento por difusão gasosa onde o combustível U-235 é preparado, o gás UF ₆ (hexafluoreto de urânio) em baixa pressão se move através de barreiras que têm orifícios pouco grandes o suficiente para a passagem do UF ₆. As moléculas ligeiramente mais leves de ²³⁵ UF ₆ se difundem pela barreira um pouco mais rápido do que as moléculas ²³⁸ UF ₆ mais pesadas. Esse processo se repete através de centenas de barreiras, aumentando gradualmente a concentração de ²³⁵ UF ₆ até o nível necessário para o reator nuclear. A base desse processo, a lei de Graham, é descrita no capítulo sobre gases. O gás UF ₆ enriquecido é coletado, resfriado até solidificar e, em seguida, levado para uma instalação de fabricação, onde é transformado em conjuntos de combustível. Cada conjunto de combustível consiste em barras de combustível que contêm muitos grânulos de combustível de urânio enriquecido (geralmente UO ₂) do tamanho de um dedal, envoltos em cerâmica e enriquecidos. Os reatores nucleares modernos podem conter até 10 milhões de pellets de combustível. A quantidade de energia em cada um desses pellets é igual à de quase uma tonelada de carvão ou 150 galões de óleo.

Moderadores nucleares

Os nêutrons produzidos por reações nucleares se movem muito rápido para causar fissão (Figura 21.5.5). Eles devem primeiro ser retardados para serem absorvidos pelo combustível e produzir reações nucleares adicionais. Um moderador nuclear é uma substância que retarda os nêutrons a uma velocidade baixa o suficiente para causar fissão. Os primeiros reatores usavam grafite de alta pureza como moderador. Os reatores modernos nos EUA usam exclusivamente água pesada\(\ce{( ^2_1H2O)}\) ou leve (H ₂ O comum), enquanto alguns reatores em outros países usam outros materiais, como dióxido de carbono, berílio ou grafite.

Refrigerantes para reatores

Um refrigerante de reator nuclear é usado para transportar o calor produzido pela reação de fissão para uma caldeira externa e turbina, onde é transformado em eletricidade. Dois circuitos de refrigeração sobrepostos são frequentemente usados; isso neutraliza a transferência de radioatividade do reator para o circuito primário de refrigeração. Todas as usinas nucleares nos EUA usam água como refrigerante. Outros refrigerantes incluem sódio fundido, chumbo, uma mistura de chumbo-bismuto ou sais fundidos.

Barras de controle

Os reatores nucleares usam barras de controle (Figura\(\PageIndex{8}\)) para controlar a taxa de fissão do combustível nuclear ajustando o número de nêutrons lentos presentes para manter a taxa da reação em cadeia em um nível seguro. As barras de controle são feitas de boro, cádmio, háfnio ou outros elementos capazes de absorver nêutrons. O boro-10, por exemplo, absorve nêutrons por meio de uma reação que produz partículas de lítio-7 e alfa:

\[\ce{^{10}_5B + ^1_0n⟶ ^7_3Li + ^4_2He} \nonumber \]

Quando os conjuntos de barras de controle são inseridos no elemento combustível no núcleo do reator, eles absorvem uma fração maior dos nêutrons lentos, diminuindo assim a taxa da reação de fissão e diminuindo a potência produzida. Por outro lado, se as barras de controle forem removidas, menos nêutrons serão absorvidos e a taxa de fissão e a produção de energia aumentarão. Em caso de emergência, a reação em cadeia pode ser interrompida inserindo totalmente todas as barras de controle no núcleo nuclear entre as barras de combustível.

Figura\(\PageIndex{8}\): O núcleo do reator nuclear mostrado em (a) contém o combustível e o conjunto da barra de controle mostrado em (b). (crédito: modificação do trabalho de E. Generalic, glossary.periodni.com/glossar... en=control+rod)

Sistema de escudo e contenção

Durante sua operação, um reator nuclear produz nêutrons e outras radiações. Mesmo quando desligados, os produtos de decaimento são radioativos. Além disso, um reator em operação é termicamente muito quente e altas pressões resultam da circulação de água ou outro refrigerante através dele. Portanto, um reator deve suportar altas temperaturas e pressões e deve proteger o pessoal operacional contra a radiação. Os reatores são equipados com um sistema de contenção (ou escudo) que consiste em três partes:

O vaso do reator, um invólucro de aço com 3 a 20 centímetros de espessura e, com o moderador, absorve grande parte da radiação produzida pelo reator
Um escudo principal de 1 a 3 metros de concreto de alta densidade
Um escudo pessoal com materiais mais leves que protege os operadores contra raios γ e raios-X

Além disso, os reatores geralmente são cobertos por uma cúpula de aço ou concreto projetada para conter qualquer material radioativo que possa ser liberado por um acidente de reator.

Vídeo\(\PageIndex{1}\): Clique aqui para assistir a um vídeo de 3 minutos do Instituto de Energia Nuclear sobre como os reatores nucleares funcionam.

As usinas nucleares são projetadas de tal forma que não podem formar uma massa supercrítica de material fissionável e, portanto, não podem criar uma explosão nuclear. Mas, como a história mostrou, falhas de sistemas e proteções podem causar acidentes catastróficos, incluindo explosões químicas e colapsos nucleares (danos ao núcleo do reator devido ao superaquecimento). O seguinte artigo Chemistry in Everyday Life explora três incidentes infames de colapso.

acidentes nucleares

A importância do resfriamento e da contenção é amplamente ilustrada por três grandes acidentes que ocorreram com os reatores nucleares em usinas de geração de energia nuclear nos Estados Unidos (Three Mile Island), na antiga União Soviética (Chernobyl) e no Japão (Fukushima).

Em março de 1979, o sistema de resfriamento do reator da Unidade 2 na Estação de Geração Nuclear de Three Mile Island, na Pensilvânia, falhou e a água de resfriamento foi derramada do reator para o chão do prédio de contenção. Depois que as bombas pararam, os reatores superaqueceram devido ao alto calor de decaimento radioativo produzido nos primeiros dias após o desligamento do reator nuclear. A temperatura do núcleo subiu para pelo menos 2200° C e a parte superior do núcleo começou a derreter. Além disso, o revestimento de liga de zircônio das barras de combustível começou a reagir com o vapor e produziu hidrogênio:

\[\ce{Zr}(s)+\ce{2H2O}(g)⟶\ce{ZrO2}(s)+\ce{2H2}(g) \nonumber \]

O hidrogênio se acumulou no prédio do confinamento e temia-se que houvesse o perigo de uma explosão da mistura de hidrogênio e ar no prédio. Consequentemente, o gás hidrogênio e os gases radioativos (principalmente criptônio e xenônio) foram ventilados do prédio. Em uma semana, a circulação da água de resfriamento foi restaurada e o núcleo começou a esfriar. A fábrica foi fechada por quase 10 anos durante o processo de limpeza.

Embora a descarga zero de material radioativo seja desejável, a descarga de criptônio e xenônio radioativos, como ocorreu na fábrica de Three Mile Island, está entre as mais toleráveis. Esses gases se dispersam facilmente na atmosfera e, portanto, não produzem áreas altamente radioativas. Além disso, são gases nobres e não são incorporados à matéria vegetal e animal na cadeia alimentar. Efetivamente, nenhum dos elementos pesados do núcleo do reator foi liberado no meio ambiente, e nenhuma limpeza da área externa do prédio de contenção foi necessária (Figura\(\PageIndex{9}\)).

Figura\(\PageIndex{9}\): (a) Nesta foto de 2010 de Three Mile Island, as estruturas restantes do reator danificado da Unidade 2 são vistas à esquerda, enquanto o reator separado da Unidade 1, não afetado pelo acidente, continua gerando energia até hoje (à direita). (b) O presidente Jimmy Carter visitou a sala de controle da Unidade 2 alguns dias após o acidente em 1979.

Outro grande acidente nuclear envolvendo um reator ocorreu em abril de 1986, na Usina Nuclear de Chernobyl, na Ucrânia, que ainda fazia parte da antiga União Soviética. Enquanto operava com baixa potência durante um experimento não autorizado com alguns de seus dispositivos de segurança desligados, um dos reatores da fábrica ficou instável. Sua reação em cadeia se tornou incontrolável e aumentou para um nível muito além do que o reator foi projetado. A pressão do vapor no reator subiu para entre 100 e 500 vezes a pressão de potência total e rompeu o reator. Como o reator não estava fechado em um prédio de contenção, uma grande quantidade de material radioativo foi expelida e produtos de fissão adicionais foram liberados, quando o moderador de grafite (carbono) do núcleo acendeu e queimou. O incêndio foi controlado, mas mais de 200 trabalhadores da fábrica e bombeiros desenvolveram doenças agudas por radiação e pelo menos 32 logo morreram devido aos efeitos da radiação. Prevê-se que cerca de 4000 mortes a mais ocorrerão entre trabalhadores de emergência e ex-residentes de Chernobyl por câncer e leucemia induzidos por radiação. Desde então, o reator foi encapsulado em aço e concreto, uma estrutura em decomposição conhecida como sarcófago. Quase 30 anos depois, problemas significativos de radiação ainda persistem na área, e Chernobyl continua sendo em grande parte um terreno baldio.

Em 2011, a Usina Nuclear de Fukushima Daiichi, no Japão, foi gravemente danificada por um terremoto de magnitude 9,0 e pelo tsunami resultante. Três reatores em funcionamento na época foram desligados automaticamente, e geradores de emergência entraram em operação para alimentar sistemas eletrônicos e de refrigeração. No entanto, o tsunami inundou rapidamente os geradores de emergência e cortou a energia das bombas que circulavam água de refrigeração pelos reatores. O vapor de alta temperatura nos reatores reagiu com a liga de zircônio para produzir gás hidrogênio. O gás escapou para o prédio de contenção e a mistura de hidrogênio e ar explodiu. O material radioativo foi liberado dos recipientes de contenção como resultado da ventilação deliberada para reduzir a pressão do hidrogênio, da descarga deliberada de água de refrigeração no mar e de eventos acidentais ou não controlados.

Uma zona de evacuação ao redor da planta danificada se estendia por mais de 12,4 milhas de distância e cerca de 200.000 pessoas foram evacuadas da área. Todas as 48 usinas nucleares do Japão foram posteriormente fechadas, permanecendo fechadas em dezembro de 2014. Desde o desastre, a opinião pública deixou de ser amplamente favorável para se opor amplamente ao aumento do uso de usinas nucleares, e o reinício do programa de energia atômica do Japão ainda está paralisado (Figura\(\PageIndex{10}\)).

Figura\(\PageIndex{10}\): (a) Após o acidente, os resíduos contaminados tiveram que ser removidos e (b) uma zona de evacuação foi montada ao redor da planta em áreas que receberam altas doses de precipitação radioativa. (crédito a: modificação do trabalho de “Live Action Hero” /Flickr)

A energia produzida por um reator abastecido com urânio enriquecido resulta da fissão do urânio, bem como da fissão do plutônio produzido durante a operação do reator. Conforme discutido anteriormente, o plutônio se forma a partir da combinação de nêutrons e urânio no combustível. Em qualquer reator nuclear, apenas cerca de 0,1% da massa do combustível é convertida em energia. Os outros 99,9% permanecem nas barras de combustível como produtos de fissão e combustível não utilizado. Todos os produtos de fissão absorvem nêutrons e, após um período de vários meses a alguns anos, dependendo do reator, os produtos da fissão devem ser removidos trocando as barras de combustível. Caso contrário, a concentração desses produtos de fissão aumentaria e absorveria mais nêutrons até que o reator não pudesse mais operar.

As barras de combustível usado contêm uma variedade de produtos, consistindo em núcleos instáveis que variam em número atômico de 25 a 60, alguns elementos de transurânio, incluindo plutônio e amerício, e isótopos de urânio que não reagiram. Os núcleos instáveis e os isótopos de transurânio conferem ao combustível usado um nível perigosamente alto de radioatividade. Os isótopos de vida longa precisam de milhares de anos para decair até um nível seguro. O destino final do reator nuclear como fonte significativa de energia nos Estados Unidos provavelmente depende de se uma técnica política e cientificamente satisfatória para processar e armazenar os componentes das barras de combustível usado pode ou não ser desenvolvida.

Reatores nucleares de fusão e fusão

O processo de conversão de núcleos muito leves em núcleos mais pesados também é acompanhado pela conversão de massa em grandes quantidades de energia, um processo chamado fusão. A principal fonte de energia no sol é uma reação de fusão líquida na qual quatro núcleos de hidrogênio se fundem e produzem um núcleo de hélio e dois pósitrons. Essa é a reação líquida de uma série mais complicada de eventos:

\[\ce{4^1_1H ⟶ ^4_2He + 2^0_{+1}} \nonumber \]

Um núcleo de hélio tem uma massa 0,7% menor que a de quatro núcleos de hidrogênio; essa massa perdida é convertida em energia durante a fusão. Essa reação produz cerca de 3,6 × 10 ¹¹ kJ de energia por mol de energia\(\ce{^4_2He}\) produzida. Isso é um pouco maior do que a energia produzida pela fissão nuclear de um mol de U-235 (1,8 × ^{10 10} kJ) e mais de 3 milhões de vezes maior do que a energia produzida pela combustão (química) de um mol de octano (5471 kJ).

Foi determinado que os núcleos dos isótopos pesados de hidrogênio, um deutério\(^2_1\) e um tritão\(^3_1\), sofrem fusão em temperaturas extremamente altas (fusão termonuclear). Eles formam um núcleo de hélio e um nêutron:

\[\ce{^2_1H + ^3_1H ⟶ ^4_2He + 2^1_0n} \nonumber \]

Essa mudança ocorre com uma perda de massa de 0,0188 amu, correspondendo à liberação de 1,69 × 10 ⁹ quilojoules por mol de\(\ce{^4_2He}\) formado. A temperatura muito alta é necessária para dar aos núcleos energia cinética suficiente para superar as forças repulsivas muito fortes resultantes das cargas positivas em seus núcleos para que eles possam colidir.

Reações de fusão úteis requerem temperaturas muito altas para seu início — cerca de 15.000.000 K ou mais. Nessas temperaturas, todas as moléculas se dissociam em átomos e os átomos ionizam, formando plasma. Essas condições ocorrem em um número extremamente grande de locais em todo o universo — as estrelas são alimentadas por fusão. Os humanos já descobriram como criar temperaturas altas o suficiente para alcançar a fusão em grande escala em armas termonucleares. Uma arma termonuclear, como uma bomba de hidrogênio, contém uma bomba de fissão nuclear que, quando explodida, emite energia suficiente para produzir as temperaturas extremamente altas necessárias para que a fusão ocorra.

Outra forma muito mais benéfica de criar reações de fusão é em um reator de fusão, um reator nuclear no qual as reações de fusão de núcleos de luz são controladas. Como nenhum material sólido é estável em temperaturas tão altas, os dispositivos mecânicos não podem conter o plasma no qual as reações de fusão ocorrem. Duas técnicas para conter plasma na densidade e temperatura necessárias para uma reação de fusão são atualmente o foco de intensos esforços de pesquisa: contenção por um campo magnético e pelo uso de feixes de laser focalizados (Figura\(\PageIndex{11}\)). Vários grandes projetos estão trabalhando para atingir um dos maiores objetivos da ciência: fazer com que o combustível de hidrogênio acenda e produza mais energia do que a quantidade fornecida para atingir as temperaturas e pressões extremamente altas necessárias para a fusão. No momento em que este artigo foi escrito, não havia reatores de fusão autossustentáveis operando no mundo, embora reações de fusão controladas em pequena escala tenham sido executadas por períodos muito breves.

Figura\(\PageIndex{11}\): (a) Este modelo é do reator International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). Atualmente em construção no sul da França, com previsão de conclusão para 2027, o ITER será o maior reator experimental de fusão nuclear Tokamak do mundo, com o objetivo de alcançar a produção sustentada de energia em larga escala. (b) Em 2012, a Instalação Nacional de Ignição do Laboratório Nacional Lawrence Livermore produziu brevemente mais de 500.000.000.000 watts (500 terawatts, ou 500 TW) de potência de pico e entregou 1.850.000 joules (1,85 MJ) de energia, a maior energia laser já produzida e 1000 vezes o uso de energia de todo o país Estados em qualquer momento. Embora durassem apenas alguns bilionésimos de segundo, os 192 lasers atingiram as condições necessárias para a ignição por fusão nuclear. Esta imagem mostra o alvo antes do disparo a laser. (crédito a: modificação da obra de Stephan Mosel)

Resumo

É possível produzir novos átomos bombardeando outros átomos com núcleos ou partículas de alta velocidade. Os produtos dessas reações de transmutação podem ser estáveis ou radioativos. Vários elementos artificiais, incluindo tecnécio, astatina e os elementos transurânio, foram produzidos dessa maneira.

A energia nuclear, bem como as detonações de armas nucleares, podem ser geradas por fissão (reações nas quais um núcleo pesado é dividido em dois ou mais núcleos mais leves e vários nêutrons). Como os nêutrons podem induzir reações de fissão adicionais quando se combinam com outros núcleos pesados, uma reação em cadeia pode resultar. A energia útil é obtida se o processo de fissão for realizado em um reator nuclear. A conversão de núcleos leves em núcleos mais pesados (fusão) também produz energia. Atualmente, essa energia não foi contida adequadamente e é muito cara para ser viável para a produção comercial de energia.

Glossário

reação em cadeia: fissão repetida causada quando os nêutrons liberados na fissão bombardeiam outros átomos

sistema de contenção: (também protege) uma estrutura de três partes de materiais que protege o exterior de um reator de fissão nuclear e o pessoal operacional das altas temperaturas, pressões e níveis de radiação dentro do reator

haste de controle: material inserido no conjunto de combustível que absorve nêutrons e pode ser aumentado ou abaixado para ajustar a taxa de uma reação de fissão

massa crítica: quantidade de material fissionável que suportará uma reação em cadeia autossustentável (fissão nuclear)

fóssil (ou fissionável): quando um material é capaz de sustentar uma reação de fissão nuclear

fissão: divisão de um núcleo mais pesado em dois ou mais núcleos mais leves, geralmente acompanhada pela conversão de massa em grandes quantidades de energia

fusão: combinação de núcleos muito leves em núcleos mais pesados, acompanhada pela conversão de massa em grandes quantidades de energia

reator de fusão: reator nuclear no qual as reações de fusão de núcleos de luz são controladas

combustível nuclear: isótopo fissionável presente em quantidades suficientes para fornecer uma reação em cadeia autossustentável em um reator nuclear

moderador nuclear: substância que retarda os nêutrons a uma velocidade baixa o suficiente para causar fissão

reator nuclear: ambiente que produz energia via fissão nuclear em que a reação em cadeia é controlada e sustentada sem explosão

transmutação nuclear: conversão de um nuclídeo em outro nuclídeo

acelerador de partículas: dispositivo que usa campos elétricos e magnéticos para aumentar a energia cinética dos núcleos usados em reações de transmutação

líquido de refrigeração do reator: conjunto usado para transportar o calor produzido pela fissão em um reator para uma caldeira externa e turbina, onde é transformado em eletricidade

massa subcrítica: quantidade de material fissionável que não pode sustentar uma reação em cadeia; menos que uma massa crítica

massa supercrítica: quantidade de material em que há uma taxa crescente de fissão

reação de transmutação: bombardeio de um tipo de núcleo com outros núcleos ou nêutrons

elemento de transurânio: elemento com um número atômico maior que 92; esses elementos não ocorrem na natureza