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Usina Nuclear Isar, Alemanha

Piscina de combustível nuclear usado

Turbina de uma usina nuclear

Fissão nuclear

Fissão nuclear

A fissão nuclear é a reação físico-química através da qual o núcleo de um átomo é dividido. O principal interesse das reações de fissão é que, através desta operação, é obtida uma grande quantidade de energia. De acordo com a definição de energia nuclear, energia atômica é a energia contida no núcleo de um átomo e a energia obtida é energia térmica, energia na forma de calor.

A outra forma de exploração é através de reações de fusão nuclear. Neste caso, o processo é inverso, fundindo dois núcleos diferentes formando um único núcleo atômico.

Após a fissão do núcleo atômico, obtemos vários fragmentos com uma massa quase igual à metade da massa original mais dois ou três nêutrons. É notável a liberação desses dois ou três nêutrons, porque eles são o que permitirá uma nova reação em outro átomo.

A soma das massas desses fragmentos é menor que a massa original. Essa 'falta' de massas (cerca de 0,1% da massa original) foi convertida em energia de acordo com a equação de Einstein (E = mc 2 ). Nesta equação E corresponde à energia obtida, ma a massa da qual falamos e c é uma constante, a da velocidade da luz: 299,792,458 m / s 2 . A energia obtida vem na forma de calor; é, portanto, energia térmica.

A fissão nuclear pode ocorrer quando um núcleo de um átomo pesado captura um nêutron (fissão induzida), ou pode ocorrer espontaneamente devido à instabilidade do isótopo (fissão espontânea).

O material usado como combustível nuclear tem uma estrutura atômica muito instável. O urânio e o plutônio são geralmente usados. As características desses átomos é que eles são muito pesados, com um grande número de prótons com carga positiva no núcleo. Por ter tantos prótons com uma carga positiva no núcleo, é muito difícil manter os elos de forças para mantê-los juntos. Por esse motivo, a colisão com um único nêutron é suficiente para desestabilizar toda a estrutura e quebrar.

Reações de fissão na cadeia nuclear

Diagrama de uma cadeia de reações nucleares de fissão

Uma reação em cadeia é um processo pelo qual nêutrons que foram liberados em uma primeira fissão nuclear produzem fissão adicional em pelo menos mais um núcleo. Este núcleo atômico fissura e libera mais nêutrons, dando a oportunidade para o processo se repetir.

Essas reações em cadeia podem ser controladas ou não controladas. As reações controladas seriam as reações nucleares produzidas no reator nuclear de uma usina nuclear em que o objetivo é gerar energia elétrica de maneira constante e equilibrada. As reações nucleares descontroladas ocorrem no caso de armas nucleares em que o objetivo é gerar uma grande quantidade de energia em um instante.

Se em cada reação de fissão nuclear causada por um nêutron mais dois nêutrons são liberados, então o número de fissões dobra em cada geração. Neste caso, em 10 gerações existem 1.024 fissões e em 80 gerações aproximadamente 6 x 10 23 fissões.

Massa crítica

Massa crítica é a quantidade mínima de material fissionável para uma reação nuclear em cadeia a ser mantida.

Embora dois a três nêutrons ocorram em cada fissão nuclear, nem todos os nêutrons estão disponíveis para continuar a reação de fissão; alguns estão perdidos. Se os nêutrons liberados por cada reação nuclear forem perdidos em um ritmo mais rápido do que eles são formados por fissão, a reação em cadeia não será auto-sustentável e irá parar.

A quantidade de massa crítica de um material fissionável depende de vários fatores: propriedades físicas, propriedades nucleares, sua geometria e sua pureza.

Uma esfera tem a área de superfície mínima possível para uma determinada massa e, portanto, minimiza o vazamento de nêutrons. Se também contornarmos o material físsil com um refletor de nêutrons, muito menos nêutrons serão perdidos e a massa crítica será reduzida.

Embora o urânio possa ser encontrado naturalmente, o urânio usado em reatores nucleares é chamado de urânio enriquecido. O urânio enriquecido é o urânio que foi submetido a um tratamento para torná-lo um isótopo mais instável. É chamado de átomos isotópicos do mesmo elemento, cujos núcleos possuem um número diferente de nêutrons e, portanto, diferem em número de massa.

Fissão nuclear controlada

Esquema de como os nêutrons liberados são controlados para controlar a reação de fissão da cadeia

Para manter um controle sustentado da reação nuclear, para cada 2 ou 3 nêutrons liberados, apenas um deve ser autorizado a colidir com outro núcleo de urânio. Se essa proporção for menor que um, a reação morrerá e, se for maior, ficará fora de controle (uma explosão atômica).

Elementos de absorção de nêutrons são usados ​​para controlar a quantidade de nêutrons livres no espaço de reação. A maioria dos reatores de energia nuclear é controlada por meio de hastes de controle feitas de um material que tem a propriedade de absorver nêutrons livres, por exemplo, boro ou cádmio.

Além da necessidade de capturar nêutrons, os nêutrons costumam ter muita energia cinética (eles se movem em alta velocidade). Esses nêutrons rápidos são reduzidos através do uso de um moderador, como água pesada e água corrente. Alguns reatores nucleares usam grafite como um moderador, mas esse projeto tem vários problemas. Uma vez que os nêutrons rápidos diminuíram, eles são mais propensos a produzir mais fissão nuclear ou serem absorvidos pelas hastes de controle.

Fissão nuclear espontânea

Nas reações de fissão nuclear espontânea a absorção de um nêutron não é necessária 

A taxa de fissão espontânea é a probabilidade por segundo que um determinado átomo de fissão espontânea - isto é, sem qualquer intervenção externa. Plutónio 239 tem uma muito alta taxa de fissão espontânea, quando comparada com a taxa de fissão espontânea de urânio 235. Em certos isótopos de urânio, plutónio e, especialmente, têm uma estrutura atómica tal instável espontaneamente fissionar.

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Referências

Última revisão: 15 de março de 2019