21.5: Transmutação e energia nuclear

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Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

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. Os cientistas aprenderam 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:

_{7}^{14} N +_{2}^{4} Ele ⟶_{8}^{17} O +_{1}^{1} H

O $_{8}^{17} O$ e $_{1}^{1} H$ os núcleos 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.

Química na vida cotidiana

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 21.13). 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.

Duas fotos são mostradas e rotuladas como “a” e “b”. A foto a mostra uma vista aérea do Large Hadron Collider. A foto b mostra um túnel de concreto com trilhos no chão e tubos e fios correndo ao longo da parede. Duas pessoas caminham pelo túnel.

Figura 21.13 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 2013 a François Englert e Peter Higgs, que haviam previsto a existência dessa partícula quase 50 anos antes.

Link para o aprendizado

O famoso físico Brian Cox fala sobre seu trabalho no Large Hadron Collider no CERN, proporcionando um tour divertido e envolvente desse enorme projeto e da física por trás dele.

Assista a um pequeno vídeo do CERN, descrevendo os conceitos básicos de como seus aceleradores de partículas funcionam.

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{array}{l} _{92}^{238} U +_{0}^{1} n ⟶_{92}^{239} U \\ _{92}^{239} U ⟶_{93}^{239} Não +_{−1}^{0} e meia-vida = 23,5 mín \\ _{93}^{239} Não ⟶_{94}^{239} Pu +_{−1}^{0} e meia-vida = 2,36 dias \end{array}

O plutônio agora é formado principalmente em reatores nucleares como um subproduto durante a fissão do U-235. Nêutrons adicionais são liberados durante esse processo de fissão (veja a próxima seção), alguns dos quais se combinam com núcleos 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. Esses processos estão resumidos na equação:

_{92}^{238} U +_{0}^{1} n ⟶_{92}^{239} U \overset{β^{−}}{\to}_{93}^{239} Não \overset{β^{−}}{\to}_{94}^{239} Pu

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 21.3.

Preparação de alguns dos elementos de transurânio

Nome	Símbolo	Número atômico	Reação
amerício	Sou	95	$_{94}^{239} Pu +_{0}^{1} n ⟶_{95}^{240} Sou +_{−1}^{0} e$
cúrio	Cm	96	$_{94}^{239} Pu +_{2}^{4} Ele ⟶_{96}^{242} Cm +_{0}^{1} n$
califórnio	Cf	98	$_{96}^{242} Cm +_{2}^{4} Ele ⟶_{98}^{245} Cf +_{0}^{1} n$
einsteínio	Es	99	$_{92}^{238} U + 15_{0}^{1} n ⟶_{99}^{253} Es + 7_{−1}^{0} e$
mendelevium	Md	101	$_{99}^{253} Es +_{2}^{4} Ele ⟶_{101}^{256} Md +_{0}^{1} n$
nobélio	Não	102	$_{96}^{246} Cm +_{6}^{12} C ⟶_{102}^{254} Não + 4_{0}^{1} n$
rutherfórdio	Rf	104	$_{98}^{249} Cf +_{6}^{12} C ⟶_{104}^{257} Rf + 4_{0}^{1} n$
borgium marinho	Sg	106	$\begin{array}{l} _{82}^{206} Pb +_{24}^{54} Cr ⟶_{106}^{257} Sg + 3_{0}^{1} n \\ _{98}^{249} Cf +_{8}^{18} O ⟶_{106}^{263} Sg + 4_{0}^{1} n \end{array}$
meteoro	Monte	107	$_{83}^{209} Bi +_{26}^{58} Fe ⟶_{109}^{266} Monte +_{0}^{1} n$

Tabela 21.3

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 (ver Figura 21.3). 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 de fissão nuclear típica é mostrada na Figura 21.14.

É mostrado um diagrama com uma esfera branca chamada “sobrescrito, 1, subscrito 0, n” seguido por uma seta voltada para a direita e uma esfera grande composta por muitas esferas brancas e verdes menores rotuladas como “sobrescrito, 235, subscrito 92, U.” A esfera única impactou a esfera maior. Uma seta voltada para a direita leva da esfera maior para uma coleção vertical em forma de haltere das mesmas esferas brancas e verdes rotuladas como “sobrescrito, 236, subscrito 92, U, núcleo instável”. Duas setas voltadas para a direita conduzem da parte superior e inferior dessa estrutura para duas novas esferas que também são compostas por esferas verdes e brancas e são um pouco menores que as outras. A esfera superior é rotulada como “sobrescrito, 92, subscrito 36, K r”, enquanto a inferior é rotulada como “sobrescrito, 141, subscrito 56, B a.” Um padrão de explosão estelar chamado “Energia” fica entre essas duas esferas e tem três setas voltadas para a direita que levam dela a três esferas brancas rotuladas como “3, sobrescrito, 1, subscrito 0, n.”. Uma equação nuclear balanceada é escrita abaixo do diagrama e diz “sobrescrito, 235, subscrito 92, U, sinal de mais, sobrescrito, sobrescrito, 1, subscrito 0, n, seta de rendimento, sobrescrito, 236, subscrito 92, U, seta de rendimento, sobrescrito, 141, subscrito 56, B a, sinal de mais, sobrescrito, 92, subscrito 36, K r, sinal de mais, 3, sobrescrito, 1, subscrito 0, n.”

Figura 21.14 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 21.15. Reações de fissão semelhantes foram observadas com outros isótopos de urânio, bem como com uma variedade de outros isótopos, como os de plutônio.

Cinco equações nucleares e um gráfico são mostrados. A primeira equação é “sobrescrito, 235, subscrito 92, U, sinal de mais, sobrescrito, 1, subscrito 0, n, seta de rendimento, sobrescrito, 236, subscrito 92, U, seta de rendimento, sobrescrito, 90, subscrito 38, S r, sinal de mais, sobrescrito, 144, subscrito 54, X e, sinal de mais, 2, sobrescrito, 1, subscrito 0, não.” A segunda equação é “sobrescrito, 235, subscrito 92, U, sinal de mais, sobrescrito, 1, subscrito 0, n, seta de rendimento, sobrescrito, 236, subscrito 92, U, seta de rendimento, sobrescrito, 87, subscrito 35, B r, sinal de mais, sobrescrito, 146, subscrito 57, L a, sinal de mais, 3, sobrescrito, 1, subscrito 0, não.” A terceira equação é “sobrescrito, 235, subscrito 92, U, sinal de mais, sobrescrito, 1, subscrito 0, n, seta de rendimento, sobrescrito, 236, subscrito 92, U, seta de rendimento, sobrescrito, 97, subscrito 37, R b, sinal de mais, sobrescrito, 137, subscrito 55, C s, sinal de mais, 3, sobrescrito, 1, subscrito 0, não.” A quarta equação é “sobrescrito, 235, subscrito 92, U, sinal de mais, sobrescrito, 1, subscrito 0, n, seta de rendimento, sobrescrito, 236, subscrito 92, U, seta de rendimento, sobrescrito, 137, subscrito 52, T e, sinal de mais, sobrescrito, 97, subscrito 40, Z r, sinal de mais, 2, sobrescrito, 1, subscrito 0, não.” A quinta equação é “sobrescrito, 235, subscrito 92, U, sinal de mais, sobrescrito, 1, subscrito 0, n, seta de rendimento, sobrescrito, 236, subscrito 92, U, seta de rendimento, sobrescrito, 141, subscrito 56, B a, sinal de mais, sobrescrito, 92, subscrito 36, K r, sinal de mais, 3, sobrescrito, 1, subscrito 0, não.” Também é mostrado um gráfico em que o eixo y é rotulado como “Rendimento de fissão, parêntese aberto, sinal percentual, parêntese fechado” e tem valores de 0 a 9 em incrementos de 1, enquanto o eixo x é rotulado como “Número de massa” e tem valores de 60 a 180 em incrementos de 20. O gráfico começa próximo ao ponto “65, 0” e sobe rapidamente para perto de “92, 6,6”, depois cai com a mesma rapidez para “107, 0” e permanece lá até o ponto “127, 0”. O gráfico então sobe novamente para perto de “132, 8" e depois sobe e desce um pouco antes de cair até um ponto “153, 0” e ir para a horizontal.

Figura 21.15 (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.

Link para o aprendizado

Veja este link para ver uma simulação da fissão nuclear.

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 $\times$ 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 nuclear em cadeia (veja a Figura 21.16). Por outro lado, se muitos nêutrons escaparem do material a granel sem interagir com um núcleo, nenhuma reação em cadeia ocorrerá.

Figura 21.16 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 21.17).

As imagens são mostradas e rotuladas como “a”, “b” e “c”. A imagem a, chamada “Massa subcrítica”, mostra um fundo de círculo azul com uma esfera branca perto da borda externa, superior e esquerda do círculo. Uma seta voltada para baixo, voltada para a direita, indica que a esfera branca entra no círculo. Sete pequenas explosões estelares amarelas são desenhadas no círculo azul e cada uma tem uma seta voltada para fora do círculo, em direções aparentemente aleatórias. A imagem b, chamada “Massa crítica”, mostra um fundo de círculo azul com uma esfera branca perto da borda externa, superior e esquerda do círculo. Uma seta voltada para baixo, voltada para a direita, indica que a esfera branca entra no círculo. Dezessete pequenas explosões estelares amarelas são desenhadas no círculo azul e cada uma tem uma seta voltada para fora do círculo, em direções aparentemente aleatórias. A imagem c, chamada “Massa crítica da deflexão de nêutrons”, mostra um fundo de círculo azul, deitado em um círculo roxo maior, com uma esfera branca próxima à borda externa, superior e esquerda do círculo roxo. Uma seta voltada para baixo, voltada para a direita, indica que a esfera branca entra nos dois círculos. Treze pequenas explosões estelares amarelas são desenhadas no círculo azul e cada uma tem uma seta voltada para fora do círculo azul, e algumas fora do círculo roxo, em direções aparentemente aleatórias.

Figura 21.17 (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 21.18) contém vários quilos de material fissionável, $_{92}^{235} U$ ou $_{94}^{239} Pu,$ uma fonte de nêutrons e um dispositivo explosivo para comprimi-lo 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.

Dois diagramas são mostrados, cada um à esquerda de uma foto, e rotulados como “a” e “b”. O diagrama a mostra o invólucro externo de uma bomba que tem uma forma longa e tubular com uma cauda quadrada. Os componentes da concha mostram um tubo com um disco branco chamado “Detonador” à esquerda, um disco laranja com uma explosão estelar amarela brilhante desenhada em torno dele rotulado como “Explosivo convencional” no meio e uma seta voltada para a direita levando a um disco azul no nariz da bomba chamado “urânio 235”. Um pequeno cone azul ao lado do disco laranja compartilha o rótulo de “urânio 235”. Uma foto em preto e branco ao lado deste diagrama mostra uma imagem distante de uma nuvem ascendente sobre uma paisagem. O diagrama b mostra o invólucro externo de uma bomba que tem uma forma curta e arredondada com uma cauda quadrada. Os componentes da concha mostram um grande círculo laranja rotulado como “Explosivo convencional” com uma série de pontos pretos ao redor de sua borda, rotulados como “Detonadores”, e uma explosão estelar amarela atrás dele. As setas brancas estão voltadas da borda externa do círculo laranja para um círculo azul no centro com um núcleo amarelo. O círculo azul é rotulado como “plutônio 239”, enquanto o núcleo amarelo é rotulado como “berílio, traço, iniciador de polônio”. Uma foto em preto e branco ao lado deste diagrama mostra uma imagem distante de uma nuvem gigante ascendente sobre uma paisagem.

Figura 21.18 (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 na outra, criando a massa crítica para o explosão nuclear. (b) A bomba de plutônio que destruiu Nagasaki em 9 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 21.19). 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.

Uma foto chamada “a” e um diagrama com o rótulo “b” são mostrados. A foto é de uma usina com duas grandes cúpulas brancas e muitos edifícios. O diagrama mostra um recipiente cilíndrico com paredes grossas denominado “Paredes de concreto e aço” e três componentes principais no interior. O primeiro desses componentes é um par de cilindros altos denominados “Geradores de vapor” que ficam em ambos os lados de um cilindro mais curto chamado “Core”. Ao lado do núcleo está um cilindro fino chamado “Pressurizador”. À esquerda das paredes externas está um conjunto de pistões denominados “Turbinas” que ficam acima de uma série de outros equipamentos.

Figura 21.19 (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 (consulte a Figura 21.17). 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 $({_{1}^{2} H}_{2} O)$ ou água 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 21.20) 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:

_{5}^{10} B +_{0}^{1} n ⟶_{3}^{7} Li +_{2}^{4} Ele

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.

Dois diagramas são mostrados e rotulados como “a” e “b”. O diagrama a mostra uma visão recortada de um tubo vertical com uma placa plana e horizontal próxima à parte inferior que se conecta a uma série de tubos verticais alinhados um ao lado do outro e rotulados como “Barras de combustível”. Uma segunda placa horizontal chamada “Grade” fica na parte superior dos tubos e um segundo conjunto de tubos verticais mais finos, denominados “barras de controle”, leva dessa placa até o topo do recipiente. As paredes do contêiner são rotuladas como “Vaso de pressão de aço”. Uma seta azul voltada para a direita sai de um ponto de entrada no lado esquerdo do contêiner e é seguida por uma segunda seta azul voltada para baixo e uma seta curva voltada para a direita que traça ao longo da borda externa inferior do contêiner. Uma seta azul e vermelha as segue e está voltada para o lado direito do contêiner até uma saída próxima à face direita, onde uma seta vermelha voltada para a direita sai. O diagrama b é uma imagem recortada de um conjunto vertical, retangular e tridimensional de tubos verticais. Os tubos são rotulados como “Barras de combustível” e são inseridos em uma placa horizontal superior e inferior chamada “Grade”. Quatro hastes finas se estendem acima dos tubos e são rotuladas como “hastes de controle”.

Figura 21.20 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, http://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 da 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.

Link para o aprendizado

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.

Química na vida cotidiana

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:

Zr (s) + {2H}_{2} O (g) ⟶ {ZrO}_{2} (s) + {2H}_{2} (g)

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 21.21).

Duas fotos, rotuladas como “a” e “b”, são mostradas. A foto a é uma vista aérea de uma usina nuclear. A foto b mostra um pequeno grupo de homens andando por uma sala cheia de eletrônicos.

Figura 21.21 (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 tornou-se 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 21.22).

Uma foto e um mapa, rotulados como “a” e “b”, respectivamente, são mostrados. A foto a mostra um homem em um traje de segurança que cobre o corpo trabalhando perto de uma série de recipientes azuis revestidos de plástico. O mapa b mostra uma seção de terra com o oceano de cada lado. Perto do lado superior direito da terra há um pequeno ponto vermelho, rotulado como “maior que, 12,5, m R barra invertida, h r”, que é cercado por uma zona de laranja que se estende na direção superior esquerda chamada “2,17, traço, 12,5, barra invertida m R, h r.” A laranja é cercada por um contorno amarelo rotulado como “1,19, traço, 2,17, barra invertida m R, h r” e um contorno mais amplo de verde rotulado como “0,25, traço, 1,19, barra invertida m R, h r”. Uma grande área de azul claro, chamada “0,03, traço, 0,25, barra invertida m R, h r” circunda a área verde e se estende até a parte inferior central do mapa. Uma grande parte da parte inferior, média e esquerda da terra é coberta por azul escuro, rotulada como “menos de 0,03, m R barra invertida, h r.”

Figura 21.22 (a) Após o acidente, os resíduos contaminados tiveram que ser removidos e (b) uma zona de evacuação foi instalada 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.

Link para o aprendizado

Explore as informações neste link para saber mais sobre as abordagens para o gerenciamento de resíduos nucleares.

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:

4_{1}^{1} H ⟶_{2}^{4} Ele + 2_{+1}^{0} e^{+}

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 $\times$ 10 ¹¹ kJ de energia por mol de $_{2}^{4} Ele$ produzido. Isso é um pouco maior do que a energia produzida pela fissão nuclear de um mol de U-235 (1.8 $\times$ 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, $_{1}^{2} H$ e um tritão, $_{1}^{3} H,$ sofrem fusão em temperaturas extremamente altas (fusão termonuclear). Eles formam um núcleo de hélio e um nêutron:

_{1}^{2} H +_{1}^{3} H ⟶_{2}^{4} Ele +_{0}^{1} n

Essa mudança ocorre com uma perda de massa de 0,0188 amu, correspondendo à liberação de 1,69 $\times$ 10 ⁹ quilojoules por mol de $_{2}^{4} Ele$ 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 21.23). 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.

Duas fotos são mostradas e rotuladas como “a” e “b”. A foto a mostra um modelo do reator ITER composto por componentes coloridos. A foto b mostra uma visão aproximada da extremidade de um longo braço mecânico composto por muitos componentes metálicos.

Figura 21.23 (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 forneceu 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)