A fissão nuclear é uma reação nuclear na qual o núcleo de um átomo pesado se divide em dois ou mais fragmentos menores, liberando uma grande quantidade de energia.
Essa reação pode ser induzida pela captura de um nêutron por um núcleo, ou espontaneamente devido à instabilidade do isótopo.
Os núcleos atômicos são compostos de prótons e nêutrons. Os prótons têm carga positiva e tendem a se repelir, enquanto os nêutrons não têm carga. Essas partículas são mantidas unidas pela força nuclear forte, que é muito mais forte que a força eletromagnética que mantém os elétrons ao redor do núcleo.
A fissão nuclear envolve a quebra dessa força nuclear, permitindo que os núcleons (prótons e nêutrons) se separem.
Como funciona a fissão nuclear?
A fissão nuclear é um processo no qual o núcleo de um átomo pesado, como o urânio-235 ou o plutônio-239, se divide em dois ou mais núcleos mais leves, liberando uma grande quantidade de energia.
Esse processo começa quando um nêutron livre atinge o núcleo de um átomo físsil, fazendo com que o núcleo se torne instável e se quebre. À medida que o núcleo se divide, ele libera nêutrons adicionais, que podem continuar a impactar outros núcleos, iniciando assim uma reação em cadeia.
A energia liberada na fissão vem da perda de massa durante a divisão do núcleo, que é convertida em energia de acordo com a famosa equação de Einstein, \( E = mc^2 \). Os fragmentos resultantes da fissão são produtos de fissão, que são elementos químicos diferentes, e os nêutrons liberados podem ser usados para continuar o processo.
Em reatores nucleares, essa reação controlada gera calor que é convertido em energia elétrica. Entretanto, nas armas nucleares, a fissão ocorre descontroladamente, liberando uma enorme explosão de energia.
Geração de energia na fissão nuclear
A energia liberada na fissão nuclear vem da conversão de uma pequena quantidade de massa em energia, de acordo com a equação de Einstein, \( E = mc^2 \), onde:
- E é a energia obtida,
- m é a massa "perdida" durante a fissão,
- c é a velocidade da luz no vácuo (299.792.458 m/s).
Essa energia é liberada na forma de calor, que pode ser usado em reatores nucleares para gerar eletricidade.
O elemento químico na fissão nuclear
O material físsil usado em reações nucleares é geralmente urânio-235 (U-235) ou plutônio-239 (Pu-239).
Esses isótopos são instáveis devido ao grande número de prótons em seus núcleos, o que torna a estrutura atômica propensa à fissão quando interage com um nêutron. Isótopos são versões do mesmo elemento com diferentes números de nêutrons, e a fissão normalmente ocorre quando um nêutron atinge um átomo de urânio-235 ou plutônio-239, desencadeando uma cadeia de reações.
Reações em cadeia
A fissão nuclear pode produzir uma reação em cadeia.
Nesse processo, os nêutrons liberados por uma fissão induzem novas fissões em outros átomos, gerando mais nêutrons e liberando mais energia. Os nêutrons resultantes podem ser absorvidos por outros átomos de combustível, mantendo a reação em andamento. Esta cadeia pode ser controlada ou não controlada:
- Controlado : Em reatores nucleares, onde a quantidade de nêutrons é regulada por barras de controle (feitas de materiais como boro ou cádmio que absorvem nêutrons), permitindo que a reação seja mantida em um nível constante e seguro.
- Descontrolado : Em uma explosão nuclear, como em bombas atômicas, onde a reação acelera fora de controle e uma enorme quantidade de energia é liberada de forma rápida e destrutiva.
Massa crítica e controle de reação
Massa crítica é a quantidade mínima de material físsil necessária para que a reação em cadeia seja autossustentável.
Se o material físsil for menor que a massa crítica, os nêutrons serão perdidos mais rápido do que gerados, e a reação será interrompida. A quantidade de massa crítica depende de fatores como a geometria do material, sua pureza e suas propriedades físicas.
Fissão nuclear espontânea
Na fissão nuclear espontânea , um átomo pode se dividir sem a necessidade de um nêutron para atingi-lo. Esse fenômeno ocorre naturalmente em alguns isótopos, como o plutônio-239, que tem uma taxa de fissão espontânea maior que o urânio-235. Embora esse processo seja raro, ele pode contribuir para a atividade radioativa de certos materiais.
Descoberta da fissão nuclear
A descoberta da fissão nuclear ocorreu em 1938, quando os cientistas Otto Hahn e Fritz Strassmann, na Alemanha, realizaram uma experiência em que bombardeavam o urânio com nêutrons. Durante esses experimentos, eles observaram que o urânio se dividia em elementos mais leves, como o bário e o criptônio, e liberava uma grande quantidade de energia.
Essa divisão do núcleo atômico foi a primeira observação documentada de uma reação de fissão nuclear.
No entanto, foi a Lise Meitner, colega de Hahn e Strassmann, que, com a ajuda de Otto Frisch, conseguiu interpretar corretamente os resultados e entender o processo envolvido. Meitner e Frisch descreveram a fissão como a divisão do núcleo atômico, sugerindo que, ao se dividir, o núcleo liberava uma enorme quantidade de energia, o que poderia ser aproveitado para gerar poder. Essa descoberta abriu caminho para o desenvolvimento de reatores nucleares e armas nucleares, alterando profundamente a história da ciência e da tecnologia no século XX.
Aplicações da fissão nuclear
A fissão nuclear tem várias aplicações :
- Geração de eletricidade : Em usinas nucleares, a energia liberada na fissão é usada para aquecer água e produzir vapor, que aciona turbinas geradoras de eletricidade.
- Propulsão de submarino nuclear : submarinos nucleares usam reatores de fissão para gerar energia e permitir que os submarinos operem por longos períodos sem necessidade de reabastecimento.
- Bombas atômicas : a fissão nuclear também é usada em armas nucleares, onde reações descontroladas causam uma liberação maciça de energia.
- Produção de plutônio : Por meio da irradiação de urânio-238, o plutônio-239 pode ser produzido em reatores nucleares, um processo fundamental na fabricação de combustíveis nucleares e armas nucleares.
Fusão vs. Fissão
É importante não confundir fusão nuclear com fissão nuclear . A fusão envolve dois núcleos leves se juntando para formar um mais pesado, liberando energia no processo, como ocorre no Sol. A fissão, por outro lado, envolve a divisão de um núcleo pesado em fragmentos menores, liberando energia. A fusão nuclear ainda enfrenta desafios técnicos significativos para seu uso prático na geração de energia, enquanto a fissão é amplamente utilizada hoje.
Em resumo, a fissão nuclear é uma reação poderosa e complexa que não apenas nos fornece uma fonte significativa de energia, mas também representa desafios significativos em termos de segurança e gerenciamento de resíduos radioativos.