Fusão e fissão nuclear

Ciências da Natureza e suas
Tecnologias - Física
Ensino Médio, 3ª Série
FUSÃO E FISSÃO NUCLEAR

FÍSICA, 30 ano
Fusão e fissão nuclear
Sumário
1. Introdução: Interações fundamentais e física de partículas
2. Energia Nuclear
2.1 Fissão nuclear
2.2 Reação em cadeia
2.3 Enriquecimento de Urânio
2.4 Controle da reação nuclear em cadeia
2.4 Fusão Nuclear e o processo de produção de energia no Sol
3. O acidente nuclear de Chernobyl

FÍSICA, 30 ano
1. Introdução: Interações fundamentais e física de partículas
 Até os dias atuais, só foram detectados 4 tipos de forças
fundamentais na natureza, eis elas:
Força
Eletromagnética
Força
Gravitacional
Força Nuclear
Fraca
Força Nuclear
Forte
Imagem: Autor: Sav vas, Francesco Rollandin / Public Domain Imagem: Autor: Lsmpascal / Creative Commons Attribution-
Share Alike 3.0 Unported
Imagem: Fissão nuclear do Uranio 235 / Autor: Stefan-Xp /
GNU Free Documentation License
Imagem: Composição de um próton / Autor: E2M / Public
Domain

FÍSICA, 30 ano
O nosso objeto de estudo estará na força nuclear forte. Vamos
entender o porquê.
 Por muito tempo, pensou-se que o átomo seria a menor porção da
matéria e teria uma estrutura compacta. Atualmente, sabemos que o
átomo é constituído por partículas menores (sub-atômicas), distribuídas
numa forma semelhante a do Sistema Solar.
 Existe um núcleo, onde fica concentrada a massa do átomo,
equivalente ao Sol, e minúsculas partículas que giram em seu redor,
denominadas elétrons, correspondentes aos planetas. Os elétrons são
partículas de carga negativa e massa muito pequena. O átomo possui
também, como o Sistema Solar, grandes espaços vazios, que podem ser
atravessados por partículas menores que ele. [1]
Imagem: Modelo de átomo por Ernest Rutherford./
Autor: Cburnett / GNU Free Documentation License

FÍSICA, 30 ano
 O núcleo do átomo é constituído de partículas de carga positiva,
chamadas prótons, e de partículas de mesmo tamanho, mas sem carga,
denominadas nêutrons. Prótons e nêutrons são mantidos juntos no núcleo pela
força nuclear forte.
 A energia que mantém os prótons e nêutrons juntos no núcleo é a
ENERGIA NUCLEAR, isto é, a energia de ligação dos nucleons (partículas do
núcleo) [2].
1.6 fm = 1.6 x 10-15 m é a
distância média entre um
próton e um nêutron.
Imagem: Representação esquemática do núcleo como um
conjuntp de prótons e nêutrons Autor: Cam-Ann/ Creative
Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported
Imagem: Da esquerda para
direita: (1) Estrutura quark
do próton (2) Estrutura
quark do nêutron /
Autor: Arpad Horvath/
1.6 fm

FÍSICA, 30 ano
 A força nuclear forte atua nas partículas que formam os prótons e
nêutrons: os quarks.
 Existem 6 tipos (também chamados de sabores) de quarks na natureza,
como listados na figura abaixo:
 O próton é composto por 2 quarks “up” e 1 quark “down”, enquanto o
nêutron é composto por 1 quark “up” e 2 quarks “down”.
Imagem:
Modelo
padrão
de
partículas
elementares
/
Autor:
MissMJ
/Creative
Commons
Attribution
3.0
Unported
massa
carga
spin
nome
Quarks

FÍSICA, 30 ano
2. Energia Nuclear
2.1 Fissão Nuclear
 Uma vez constatada a existência da energia nuclear, restava descobrir
como utilizá-la.
 A forma imaginada para liberar a energia nuclear baseou-se na
possibilidade de partir-se ou dividir-se o núcleo de um átomo pesado, isto
é, com muitos prótons e nêutrons, em dois núcleos menores, através do
impacto de um nêutron [3].
Imagem:
Fissão
nuclear
do
Uranio
235
/
Autor:
Stefan-Xp
/
GNU
Free
Documentation
License

FÍSICA, 30 ano
 A energia liberada dessa fissão será em forma de energia térmica (calor).
 A divisão do núcleo de um átomo pesado, por exemplo, do urânio-235,
em dois menores, quando atingido por um nêutron, é denominada fissão
nuclear. Seria como jogar uma bolinha de vidro (um nêutron) contra várias
outras agrupadas (o núcleo) [4].
2.2 Reação em cadeia
 Na realidade, em cada reação de fissão nuclear resultam, além dos
núcleos menores, dois a três nêutrons, como consequência da absorção do
nêutron que causou a fissão. Torna-se, então, possível que esses nêutrons
atinjam outros núcleos de urânio-235, sucessivamente, liberando muito
calor. Tal processo é denominado reação de fissão nuclear em cadeia ou,
simplesmente, reação em cadeia [5].

FÍSICA, 30 ano
Reação em cadeia Fissão nuclear
1. Um átomo de urânio-235 absorve um
nêutron, ocorrendo a fissão em dois novos
átomos (fragmentos da fissão), soltando
três novos neutrons e energia de ligação;
2. Um desses nêutrons é absorvido por um
átomo de urânio-238 e continua a reação.
Outro nêutron é perdido, não colidindo com
nada, continuando também a reação.
Enquanto isso, o terceiro nêutron colide
com um átomo de urânio-235, o qual, com
a fissão, libera dois nêutrons e
determinada energia de ligação;
3. Ambos os nêutrons colidem com átomos
de urânio-235; cada fissão libera entre dois
e três neutrons; e assim por diante.
Imagem:
Fastfission
/
Public
Domain

FÍSICA, 30 ano
 Existe uma animação que permite você simular uma fissão nuclear,
“atirando” nêutrons em um núcleo de Urânio 235, bem como uma reação em
cadeia. Segue o link para download:
http://pion.sbfisica.org.br/pdc/index.php/por/content/download/669/4771/nuclear
-fission_pt_BR.jar
É necessário ter o aplicativo Java no computador. Para baixar tal aplicativo
segue o link:
http://www.java.com/en/download/manual.jsp
Neste site, basta escolher o sistema operacional e fazer o download do
programa Java.

FÍSICA, 30 ano
2.3 Enriquecimento de Urânio
 O urânio-235 é um elemento químico que possui 92 prótons e 143
nêutrons no núcleo. Sua massa é, portanto, 92 + 143 = 235. Ele pode ser
fissionado por nêutrons de qualquer energia cinética, preferencialmente os de
baixa energia, denominados nêutrons térmicos (lentos) [6];
 Além do urânio-235, existem, na natureza, em maior quantidade, átomos
com 92 prótons e 146 nêutrons (massa igual a 238). São também átomos do
elemento urânio, porque têm 92 prótons, ou seja, número atômico 92. Trata-se
do urânio-238, que só tem possibilidade de sofrer fissão por nêutrons de
elevada energia cinética (os nêutrons rápidos);
 Há Abundância de Urânio na natureza: para cada 1.000 átomos de urânio,
7 são de urânio-235 e 993 são de urânio-238 (a quantidade dos demais
isótopos é desprezível) [7];

FÍSICA, 30 ano
 Para ser possível a ocorrência de uma reação de fissão nuclear em
cadeia, é necessário haver quantidade suficiente de urânio-235, que é
fissionado por nêutrons de qualquer energia [8];
 Nos Reatores Nucleares do tipo PWR (Pressurized Water Reactor),
é necessário haver a proporção de 32 átomos de urânio-235 para 968
átomos de urânio-238, em cada grupo de 1.000 átomos de urânio, ou
seja, 3,2% de urânio-235;
 O urânio encontrado na natureza precisa ser tratado
industrialmente, com o objetivo de elevar a proporção (ou concentração)
de urânio-235 para urânio-238, de 0,7% para 3,2%. Para isso deve,
primeiramente, ser purificado e convertido em gás;
 Se o grau de enriquecimento for muito alto (acima de 90%), isto é,
se houver quase só urânio-235, pode ocorrer uma reação em cadeia
muito rápida, de difícil controle, mesmo para uma quantidade
relativamente pequena de urânio, passando a constituir-se em uma
explosão: é a bomba atômica [9].

FÍSICA, 30 ano
2.4 Controle da reação nuclear em cadeia
 Descoberta a grande fonte de energia no núcleo dos átomos e a forma de
aproveitá-la, restava saber como controlar a reação em cadeia, que
normalmente não pararia, até consumir quase todo o material físsil (= que sofre
fissão nuclear), no caso o urânio-235 [10].
 A forma de controlar a reação em cadeia consiste na eliminação do
agente causador da fissão: o nêutron. Não havendo nêutrons disponíveis, não
pode haver reação de fissão em cadeia. Alguns elementos têm a propriedade
de serem bons absorvedores de nêutrons, sendo algum deles:
 O boro na forma de ácido bórico ou de metal;
 O cádmio em barras metálicas.
Isso devido a esses elementos ainda comportarem mais nêutrons nos seus
núcleos, permitindo assim a criação de isótopos.

FÍSICA, 30 ano
 A grande aplicação do controle da reação em cadeia é nos reatores
nucleares, para a geração de energia elétrica [11]. A figura abaixo mostra o
interior de um reator, onde essas barras representam aos materiais
absorvedores dos nêutrons. Quando as barras descem totalmente, a reação é
completamente interrompida.
Imagem: Desenho esquemático de barras de controle num
reator nuclear. / Autor: Pbech / Creative Commons CC0 1.0
Universal Public Domain Dedication

FÍSICA, 30 ano
 Um Reator Nuclear, para gerar energia elétrica, é, na verdade, uma
Central Térmica, onde a fonte de calor é o urânio-235, em vez de óleo
combustível ou de carvão. É, portanto, uma Central Térmica Nuclear [12].
Reator
Bomba
Condensador
Núcleo do
Reator
Energia
Elétrica
Turbina Gerador
Resfriador
Válvulas de Controle
Água
Super Crítica
Imagem:
Diagrama
extraído
do
roadmap
Generation
IV
publicado
pelo
US
Department
of
Energy
e
simplificado
para
remover
agrupamento
excessivo
/
Autor:
US
Department
of
Energy
Nuclear
Energy
Research
Advisory
Committee/
Public
Domain
in
the
US

FÍSICA, 30 ano
 A grande vantagem de utilizar uma central térmica de energia é a enorme
quantidade de energia gerada com pouco material usado (o urânio) [13]:
Note que 10g de urânio-235 gera a mesma quantidade de energia que 700kg
de óleo e 1.200Kg de carvão !!
Imagem: Padrão de ensaio de Urânio metal/
Autor: United States Department of Energy/
Public Domain in the US
10g 700 Kg
Imagem: Ilustração ortográfica de um barril
de petróleo/ Autor: Amiralis /Creative Commons
Attribution-Share Alike 3.0 Unported license.
1.200 Kg
Imagem: Produção de carvão /
Autor: Frank Behnsen / GNU Free
Documentation License

FÍSICA, 30 ano
2.4 Fusão Nuclear e o processo de produção de energia no Sol
 Em março de 1938, uma conferência foi organizada pela Carnegie
Institution, de Washington, para unir astrônomos e físicos. Um dos
participantes foi o imigrante alemão Hans Albrecht Bethe (1906-2005).
Logo após a conferência, Bethe desenvolveu a teoria de como a fusão
nuclear podia produzir a energia que faz as estrelas brilharem. Esta
teoria foi publicada em seu artigo A Produção de Energia nas Estrelas,
de 1939, e que lhe valeu o prêmio Nobel em 1967.
 Hans Bethe tomou os melhores dados das reações nucleares
existentes e mostrou, em detalhe, como quatro prótons poderiam ser
unidos e transformados em um núcleo de hélio, liberando energia. O
processo que Bethe elaborou em seu artigo, conhecido atualmente como
o Ciclo do Carbono, envolve uma cadeia complexa de seis reações
nucleares em que átomos de carbono e nitrogênio agem como
catalisadores para a fusão nuclear [14]:

FÍSICA, 30 ano
Imagem:
Diagrama
do
ciclo
CNO
/
Autor:
Borb
/
GNU
Free
Documentation
License
Imagem: O ciclo CNO-I em estrelas brilhantes sequenciais
principais / Autor: Nasko / Creative Commons CC0 1.0
Universal Public Domain Dedication
Próton
Neutrôn
Posítron
Raio Gama
Neutrino

FÍSICA, 30 ano
 Ou seja, em melhores palavras, a
fusão nuclear é o processo no qual dois
ou mais núcleos atômicos se juntam e
formam um outro núcleo de maior número
atômico. A fusão nuclear requer muita
energia para acontecer e geralmente
liberta muito mais energia que consome
[15].
 Na mesma época, além de Hans
Bethe, o físico alemão Carl Friedrich von
Weizäcker (1912-2007) e Charles
Critchfield (1910-1994) identificaram várias
das reações de fusão nuclear que mantém
o brilho das estrelas. Hoje em dia, o valor
aceito para a temperatura do núcleo do Sol
é de 15 milhões de graus Kelvin [16]: Outro exemplo de fusão nuclear no
interior do Sol: A cadeia Próton-
Próton.
Imagem:
Diagrama
de
fusão
/
Autor:
Borb
/
GNU
Free
Documentation
License

FÍSICA, 30 ano
3. O acidente nuclear de Chernobyl
 O acidente nuclear de Chernobil ocorreu dia 26 de abril de 1986,
na usina nuclear de Chernobil (originalmente chamada Vladimir Lenin),
na Ucrânia (então parte da União Soviética). É considerado o pior
acidente nuclear da história da energia nuclear, que produziu uma nuvem
de radioatividade que atingiu a União Soviética, Europa Oriental,
Escandinávia e Reino Unido, com a liberação de 400 vezes mais
contaminação que a bomba que foi lançada sobre Hiroshima. Grandes
áreas da Ucrânia, Bielorrússia e Rússia foram muito contaminadas,
resultando na evacuação e reassentamento de aproximadamente 200 mil
pessoas [17];
 O reator nuclear de Chernobyl tinha grafite no núcleo e não possuía
contenção de aço;
 O Reator estava parando para manutenção periódica anual.
Estavam sendo feitos testes na parte elétrica com o Reator quase
parando, isto é, funcionando à baixa potência [18];

FÍSICA, 30 ano
 Para que isso fosse possível, era preciso desligar o Sistema
Automático de Segurança, caso contrário, o Reator poderia parar
automaticamente durante os testes, o que eles não desejavam. Os
reatores deste tipo não podem permanecer muito tempo com potência
baixa, porque isso representa riscos muito altos;
 Ainda assim, a operação continuou desta forma. Os operadores da
Sala de Controle do Reator, que não eram treinados segundo as normas
internacionais de segurança, não obedeceram aos cuidados mínimos, e
assim, acabaram perdendo o controle da operação;
 A temperatura aumentou rapidamente e a água que circulava nos
tubos foi total e rapidamente transformada em vapor, de forma explosiva.
Houve, portanto, uma explosão de vapor, que arrebentou os tubos, os
elementos combustíveis e os blocos de grafite. A explosão foi tão violenta
que deslocou a tampa de concreto e destruiu o teto do prédio, que não foi
previsto para aguentar tal impacto, deixando o Reator aberto para o meio
ambiente [19].

FÍSICA, 30 ano
Os três principais problemas do uso da Energia Nuclear
[20]:
• A manipulação do material radioativo;
• Possibilidade de desvio clandestino de material nuclear;
• Problema de armazenamento dos rejeitos radioativos das
usinas.

FÍSICA, 30 ano
Algumas informações sobre o uso da energia nuclear no mundo
 A energia nuclear é responsável por cerca de 16% da demanda de
eletricidade do mundo [21];
 Os Estados Unidos da América lideram a produção de energia nuclear
e em países como a França, a Suécia, a Finlândia e a Bélgica, 50 % da
energia elétrica consumida provém de usinas nucleares [22];
 No Brasil, está funcionando a Usina Nuclear Angra 2, sendo que a
produção de energia elétrica é em pequena quantidade, que não dá para
abastecer toda a cidade do Rio de Janeiro [23];
 No âmbito governamental, está em discussão a construção da Usina
Nuclear Angra 3 por causa do déficit de energia no país.

FÍSICA, 30 ano
Efeitos da Radiação nos Seres Vivos
Os efeitos da radioatividade nos seres vivos manifestam-se em dois
níveis [24]:
 Nível somático, cuja expressão máxima é a morte;
 Nível genético, responsável pelo aumento de mutações cromossômicas,
podendo originar aberrações genéticas nas gerações posteriores.
Quando uma radiação incide num tecido biológico, altera as
características químicas das moléculas destes tecidos, formando-se radicais
intracelulares que, ou matam a célula, ou originam divisões não controláveis.
No primeiro caso, o organismo elimina e substitui as células mortas, mas no
segundo caso, geralmente formam-se tumores malignos [25].
A tabela seguinte foi feita através de conclusões tiradas de investigações
feitas em animais, nas vítimas e sobreviventes de Hiroxima e Nagasaki, e em
pessoas expostas a radiações nucleares [26].

Radioatividade Sievet (s = J/Kg) Efeitos no organismo humano
Até 250 msv Lesões cutâneas de total recuperação
possível.
250 a 1000 msv • Doença da radiação: anemia por lesões
na medula óssea;
• Alterações nos glóbulos brancos,
aumentando o risco de infecções;
• Hemorragias por perda da capacidade
de coagulação;
• Lesões na mucosa do estômago e dos
intestinos, com vômitos, diarreias,
debilidade e úlceras;
• é possível uma cura total.
1 a 4 sv Dose semi-letal: doença grave por
radiação, mortal em 50% dos casos, por
destruição da medula, lesões encefálicas
e cardiovasculares, e hemorragias
internas espontâneas.
5 a 30 sv Dose letal: danos graves no sistema
nervoso, morte certa no prazo de 3 dias.

FÍSICA, 30 ano
FIM
Imagem: Petar Marjanovic, color
changed by ChNPP / GNU Free
Documentation License.

Tabela de Imagens
Slide Autoria / Licença Link da Fonte Data do
Acesso
3a Sav vas, Francesco Rollandin / Public Domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Horse_s
hoe_Magnet.svg
04/04/2012
3b Lsmpascal / Creative Commons Attribution-Share
Alike 3.0 Unported
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Earth_
moon_size_comparison.jpg
04/04/2012
3c Fissão nuclear do Uranio 235 / Autor: Stefan-Xp /
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Kernspa
ltung.png
04/04/2012
3d Composição de um próton / Autor: E2M / Public
Domain
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Proton.
svg
04/04/2012
4 Modelo de átomo por Ernest Rutherford./
Autor: Cburnett / GNU Free Documentation
License
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Rutherf
ord_atom.svg
04/04/2012
5a Representação esquemática do núcleo como um
conjunto de prótons e nêutrons Autor: Cam-Ann/
Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0
Unported
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nucleus
_drawing.png
04/04/2012
5b Estrutura quark do próton Autor: Arpad Horvath/
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Proton_
quark_structure.jpg
04/04/2012

Acesso
5c Estrutura quark do nêutron / Autor: Arpad
Horvath/ GNU Free Documentation License
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Neutro
n_quark_structure.jpg
04/04/2012
6 Modelo padrão de partículas elementares
/Autor: MissMJ / Creative Commons Attribution-
Share Alike 3.0 Unported
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Standar
d_Model_of_Elementary_Particles.svg
04/04/2012
7 Fissão nuclear do Uranio 235 / Autor: Stefan-Xp /
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Kernspa
ltung.png
04/04/2012
9 Diagrama esquemático de uma reação de fissão
em cadeia. / Autor: Fastfission / Public Domain
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fission_
chain_reaction.svg
04/04/2012
14 Desenho esquemático de barras de controle num
reator nuclear. / Autor: Pbech / Creative
Commons CC0 1.0 Universal Public Domain
Dedication
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Control
_rods_schematic.svg
04/04/2012
Tabela de Imagens

Acesso
15 Diagrama extraído do roadmap Generation IV
publicado pelo US Department of Energy e
simplificado para remover agrupamento
excessivo / Autor: US Department of Energy
Nuclear Energy Research Advisory Committee/
Public Domain in the US
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Supercri
tical-Water-Cooled_Reactor.svg
04/04/2012
16a Padrão de ensaio de Urânio metal/ Autor: United
States Department of Energy/ Public Domain in
the US
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:U,92.jp
g
04/04/2012
16b Ilustração ortográfica de um barril de petróleo/
Autor: Amiralis /Creative Commons Attribution-
Share Alike 3.0 Unported license.
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Oil_Bar
rel_graphic.png
04/04/2012
16c Produção de carvão / Autor: Frank Behnsen /
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:SI_Netp
hen-Walpersdorf_Kohlenmeiler_02.jpg
04/04/2012
18a O ciclo CNO-I em estrelas brilhantes sequenciais
principais / Autor: Nasko / Creative Commons
CC0 1.0 Universal Public Domain Dedication
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:CNO-
I_cycle.svg
04/04/2012
Tabela de Imagens

Acesso
18b Imagem: Diagrama do ciclo CNO / Autor: Borb /
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:CNO_Cy
cle.svg
04/04/2012
19 Diagrama de fusão / Autor: Borb / GNU Free
Documentation License
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fusioni
ntheSun.svg
04/04/2012
26 Petar Marjanovic, color changed by ChNPP / GNU
Free Documentation License.
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Radioac
tive_Red.svg
04/04/2012
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