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Fusão e fissão nuclear

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  1. 1. Ciências da Natureza e suas Tecnologias - Física Ensino Médio, 3ª Série FUSÃO E FISSÃO NUCLEAR
  2. 2. 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
  3. 3. FÍSICA, 30 ano Fusão e fissão nuclear 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
  4. 4. FÍSICA, 30 ano Fusão e fissão nuclear 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
  5. 5. FÍSICA, 30 ano Fusão e fissão nuclear  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/ GNU Free Documentation License 1.6 fm
  6. 6. FÍSICA, 30 ano Fusão e fissão nuclear  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
  7. 7. FÍSICA, 30 ano Fusão e fissão nuclear 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
  8. 8. FÍSICA, 30 ano Fusão e fissão nuclear  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].
  9. 9. FÍSICA, 30 ano Fusão e fissão nuclear 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
  10. 10. FÍSICA, 30 ano Fusão e fissão nuclear  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.
  11. 11. FÍSICA, 30 ano Fusão e fissão nuclear 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];
  12. 12. FÍSICA, 30 ano Fusão e fissão nuclear  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].
  13. 13. FÍSICA, 30 ano Fusão e fissão nuclear 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.
  14. 14. FÍSICA, 30 ano Fusão e fissão nuclear  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
  15. 15. FÍSICA, 30 ano Fusão e fissão nuclear  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
  16. 16. FÍSICA, 30 ano Fusão e fissão nuclear  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
  17. 17. FÍSICA, 30 ano Fusão e fissão nuclear 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]:
  18. 18. FÍSICA, 30 ano Fusão e fissão nuclear 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
  19. 19. FÍSICA, 30 ano Fusão e fissão nuclear  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
  20. 20. FÍSICA, 30 ano Fusão e fissão nuclear 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];
  21. 21. FÍSICA, 30 ano Fusão e fissão nuclear  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].
  22. 22. FÍSICA, 30 ano Fusão e fissão nuclear 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.
  23. 23. FÍSICA, 30 ano Fusão e fissão nuclear 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.
  24. 24. FÍSICA, 30 ano Fusão e fissão nuclear 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].
  25. 25. 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.
  26. 26. FÍSICA, 30 ano Fusão e fissão nuclear FIM Imagem: Petar Marjanovic, color changed by ChNPP / GNU Free Documentation License.
  27. 27. 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 / GNU Free Documentation License 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/ GNU Free Documentation License http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Proton_ quark_structure.jpg 04/04/2012
  28. 28. Slide Autoria / Licença Link da Fonte Data do 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 / GNU Free Documentation License 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
  29. 29. Slide Autoria / Licença Link da Fonte Data do 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 / GNU Free Documentation License 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
  30. 30. Slide Autoria / Licença Link da Fonte Data do Acesso 18b Imagem: Diagrama do ciclo CNO / Autor: Borb / GNU Free Documentation License 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 Tabela de Imagens

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