Ficão nuclear - Nuclear fission

Reação de fissão induzida. Um nêutron é absorvido por um núcleo de urânio-235 , transformando-o brevemente em um núcleo de urânio-236 excitado , com a energia de excitação fornecida pela energia cinética do nêutron mais as forças que ligam o nêutron . O urânio-236, por sua vez, se divide em elementos mais leves de movimento rápido (produtos de fissão) e libera vários nêutrons livres, um ou mais " raios gama imediatos " (não mostrados) e uma (proporcionalmente) grande quantidade de energia.

A fissão nuclear é uma reação na qual o núcleo de um átomo se divide em dois ou mais núcleos menores . O processo de fissão freqüentemente produz fótons gama e libera uma grande quantidade de energia, mesmo para os padrões energéticos do decaimento radioativo .

A fissão nuclear de elementos pesados foi descoberta em 17 de dezembro de 1938, pelo químico alemão Otto Hahn e seu assistente Fritz Strassmann em cooperação com a física austro-sueca Lise Meitner . Hahn entendeu que havia ocorrido uma "explosão" dos núcleos atômicos. Meitner explicou isso teoricamente em janeiro de 1939 junto com seu sobrinho Otto Robert Frisch . Frisch nomeou o processo por analogia com a fissão biológica de células vivas. Para nuclídeos pesados , é uma reação exotérmica que pode liberar grandes quantidades de energia tanto como radiação eletromagnética quanto como energia cinética dos fragmentos ( aquecendo o material a granel onde ocorre a fissão). Como a fusão nuclear , para que a fissão produza energia, a energia de ligação total dos elementos resultantes deve ser maior do que a do elemento inicial.

A fissão é uma forma de transmutação nuclear porque os fragmentos resultantes (ou átomos filhos) não são o mesmo elemento do átomo original. Os dois (ou mais) núcleos produzidos são na maioria das vezes de tamanhos comparáveis, mas ligeiramente diferentes, normalmente com uma proporção de massa de produtos de cerca de 3 para 2, para isótopos físseis comuns . A maioria das fissões são fissões binárias (produzindo dois fragmentos carregados), mas ocasionalmente (2 a 4 vezes por 1000 eventos), três fragmentos carregados positivamente são produzidos, em uma fissão ternária . O menor desses fragmentos em processos ternários varia em tamanho de um próton a um núcleo de argônio .

Além da fissão induzida por um nêutron, aproveitada e explorada por humanos, uma forma natural de decaimento radioativo espontâneo (não requerendo um nêutron) também é conhecida como fissão e ocorre especialmente em isótopos de grande número de massa. A fissão espontânea foi descoberta em 1940 por Flyorov , Petrzhak e Kurchatov em Moscou, em um experimento destinado a confirmar que, sem o bombardeio por nêutrons, a taxa de fissão do urânio era desprezível, conforme previsto por Niels Bohr ; não era desprezível.

A composição imprevisível dos produtos (que variam de maneira ampla e probabilística e um tanto caótica) distingue a fissão dos processos de tunelamento puramente quânticos , como emissão de prótons , decaimento alfa e decaimento do cluster , que fornecem os mesmos produtos todas as vezes. A fissão nuclear produz energia para energia nuclear e impulsiona a explosão de armas nucleares . Ambos os usos são possíveis porque certas substâncias chamadas combustíveis nucleares sofrem fissão quando atingidas por nêutrons de fissão e, por sua vez, emitem nêutrons quando se separam. Isso torna possível uma reação nuclear em cadeia autossustentável , liberando energia a uma taxa controlada em um reator nuclear ou a uma taxa muito rápida e descontrolada em uma arma nuclear.

A quantidade de energia livre contida no combustível nuclear é milhões de vezes a quantidade de energia livre contida em uma massa semelhante de combustível químico, como a gasolina , tornando a fissão nuclear uma fonte de energia muito densa. Os produtos da fissão nuclear, entretanto, são em média muito mais radioativos do que os elementos pesados que normalmente são fissionados como combustível, e assim permanecem por um período significativo de tempo, dando origem a um problema de lixo nuclear . As preocupações com o acúmulo de lixo nuclear e o potencial destrutivo das armas nucleares são um contrapeso ao desejo pacífico de usar a fissão como fonte de energia .

Visão geral física

Mecanismo

Uma representação visual de um evento de fissão nuclear induzido em que um nêutron de movimento lento é absorvido pelo núcleo de um átomo de urânio-235, que se divide em dois elementos mais leves de movimento rápido (produtos de fissão) e nêutrons adicionais. A maior parte da energia liberada está na forma de velocidades cinéticas dos produtos da fissão e dos nêutrons.

O produto da fissão rende em massa para a fissão de nêutrons térmicos de U-235 , Pu-239 , uma combinação dos dois reatores de energia nuclear típicos atuais, e U-233 usado no ciclo de tório .

Decaimento radioativo

A fissão nuclear pode ocorrer sem o bombardeio de nêutrons como um tipo de decaimento radioativo . Este tipo de fissão (denominado fissão espontânea ) é raro, exceto em alguns isótopos pesados.

Reação nuclear

Em dispositivos nucleares projetados, essencialmente toda a fissão nuclear ocorre como uma " reação nuclear " - um processo conduzido por bombardeio que resulta da colisão de duas partículas subatômicas. Nas reações nucleares, uma partícula subatômica colide com um núcleo atômico e causa alterações nele. As reações nucleares são, portanto, impulsionadas pela mecânica do bombardeio, não pela decadência exponencial relativamente constante e pela meia-vida característica dos processos radioativos espontâneos.

Muitos tipos de reações nucleares são atualmente conhecidos. A fissão nuclear difere significativamente de outros tipos de reações nucleares, pois pode ser amplificada e às vezes controlada por meio de uma reação em cadeia nuclear (um tipo de reação em cadeia geral ). Em tal reação, nêutrons livres liberados por cada evento de fissão podem desencadear ainda mais eventos, que por sua vez liberam mais nêutrons e causam mais fissão.

Os isótopos de elementos químicos que podem sustentar uma reação em cadeia de fissão são chamados de combustíveis nucleares e são considerados físseis . Os combustíveis nucleares mais comuns são ²³⁵ U (o isótopo do urânio com número de massa 235 e de uso em reatores nucleares) e ²³⁹ Pu (o isótopo do plutônio com número de massa 239). Esses combustíveis se dividem em uma gama bimodal de elementos químicos com massas atômicas centradas perto de 95 e 135 u ( produtos de fissão ). A maioria dos combustíveis nucleares sofre fissão espontânea apenas muito lentamente, decaindo principalmente por meio de uma cadeia de decaimento alfa - beta ao longo de períodos de milênios a éons . Em um reator nuclear ou arma nuclear, a esmagadora maioria dos eventos de fissão é induzida pelo bombardeio com outra partícula, um nêutron, que é produzido por eventos de fissão anteriores.

A fissão nuclear em combustíveis físseis é o resultado da energia de excitação nuclear produzida quando um núcleo físsil captura um nêutron. Essa energia, resultante da captura de nêutrons, é resultado da força nuclear atrativa atuando entre o nêutron e o núcleo. Basta deformar o núcleo em uma "gota" de lóbulo duplo, a ponto de os fragmentos nucleares ultrapassarem as distâncias em que a força nuclear pode manter juntos dois grupos de núcleos carregados e, quando isso acontece, os dois fragmentos completam sua separação. e então são afastados por suas cargas mutuamente repulsivas, em um processo que se torna irreversível à medida que se distanciam cada vez mais. Um processo semelhante ocorre em isótopos fissionáveis (como o urânio-238), mas para a fissão, esses isótopos requerem energia adicional fornecida por nêutrons rápidos (como aqueles produzidos por fusão nuclear em armas termonucleares ).

O modelo de gota líquida do núcleo atômico prevê produtos de fissão de tamanhos iguais como resultado da deformação nuclear. O modelo de revestimento nuclear mais sofisticado é necessário para explicar mecanicamente a rota para o resultado mais favorável do ponto de vista energético, no qual um produto da fissão é ligeiramente menor que o outro. Uma teoria da fissão baseada no modelo de casca foi formulada por Maria Goeppert Mayer .

O processo de fissão mais comum é a fissão binária e produz os produtos de fissão mencionados acima, a 95 ± 15 e 135 ± 15 u . No entanto, o processo binário acontece simplesmente porque é o mais provável. Em qualquer lugar de 2 a 4 fissões por 1000 em um reator nuclear, um processo chamado fissão ternária produz três fragmentos carregados positivamente (mais nêutrons) e o menor deles pode variar de uma carga e massa tão pequenas quanto um próton ( Z = 1) , para um fragmento tão grande quanto argônio ( Z = 18). Os fragmentos pequenos mais comuns, no entanto, são compostos de 90% de núcleos de hélio-4 com mais energia do que partículas alfa de decaimento alfa (os chamados "alfas de longo alcance" em ~ 16 MeV), mais núcleos de hélio-6 e tritons ( os núcleos do trítio ). O processo ternário é menos comum, mas ainda acaba produzindo um acúmulo significativo de hélio-4 e trítio nas barras de combustível dos reatores nucleares modernos.

Energética

Entrada

Os estágios da fissão binária em um modelo de gota de líquido. A entrada de energia deforma o núcleo em uma forma gorda de "charuto", depois uma forma de "amendoim", seguida pela fissão binária conforme os dois lóbulos excedem a distância de atração da força nuclear de curto alcance e, em seguida, são afastados e afastados por sua carga elétrica. No modelo de gota de líquido, prevê-se que os dois fragmentos de fissão tenham o mesmo tamanho. O modelo de casca nuclear permite que eles difiram em tamanho, como geralmente observado experimentalmente.

A fissão de um núcleo pesado requer uma entrada de energia total de cerca de 7 a 8 milhões de elétron-volts (MeV) para superar inicialmente a força nuclear que mantém o núcleo em uma forma esférica ou quase esférica e, a partir daí, deformá-lo em dois Forma lobulada ("amendoim") na qual os lóbulos são capazes de continuar a se separar, empurrados por sua carga positiva mútua, no processo mais comum de fissão binária (dois produtos de fissão carregados positivamente + nêutrons). Uma vez que os lobos nucleares foram empurrados a uma distância crítica, além da qual a força forte de curto alcance não pode mais mantê-los juntos, o processo de sua separação procede da energia de repulsão eletromagnética (de maior alcance) entre os fragmentos. O resultado são dois fragmentos de fissão afastando-se um do outro, em alta energia.

Cerca de 6 MeV da energia de entrada da fissão é fornecida pela simples ligação de um nêutron extra ao núcleo pesado por meio da força forte; entretanto, em muitos isótopos fissionáveis, essa quantidade de energia não é suficiente para a fissão. O urânio-238, por exemplo, tem uma seção transversal de fissão quase zero para nêutrons com energia inferior a um MeV. Se nenhuma energia adicional for fornecida por qualquer outro mecanismo, o núcleo não se fenderá, mas apenas absorverá o nêutron, como acontece quando o U-238 absorve lentos e até mesmo alguma fração dos nêutrons rápidos, para se tornar o U-239. A energia restante para iniciar a fissão pode ser fornecida por dois outros mecanismos: um deles é mais energia cinética do nêutron de entrada, que é cada vez mais capaz de fissão de um núcleo pesado fissionável à medida que excede uma energia cinética de um MeV ou mais (então chamados nêutrons rápidos ). Esses nêutrons de alta energia são capazes de fissão U-238 diretamente (ver arma termonuclear para aplicação, onde os nêutrons rápidos são fornecidos pela fusão nuclear ). No entanto, este processo não pode acontecer em grande medida em um reator nuclear, pois uma fração muito pequena dos nêutrons de fissão produzidos por qualquer tipo de fissão tem energia suficiente para fissão de U-238 de forma eficiente (nêutrons de fissão têm uma energia de modo de 2 MeV, mas uma mediana de apenas 0,75 MeV, o que significa que metade deles tem menos do que esta energia insuficiente).

Entre os elementos actinídeos pesados, no entanto, aqueles isótopos que têm um número ímpar de nêutrons (como U-235 com 143 nêutrons) ligam um nêutron extra com um adicional de 1 a 2 MeV de energia sobre um isótopo do mesmo elemento com um par número de nêutrons (como U-238 com 146 nêutrons). Essa energia de ligação extra é disponibilizada como resultado do mecanismo de efeitos de emparelhamento de nêutrons . Essa energia extra resulta do princípio de exclusão de Pauli, permitindo que um nêutron extra ocupe o mesmo orbital nuclear que o último nêutron do núcleo, de modo que os dois formem um par. Em tais isótopos, portanto, nenhuma energia cinética de nêutrons é necessária, pois toda a energia necessária é fornecida pela absorção de qualquer nêutron, seja da variedade lenta ou rápida (os primeiros são usados em reatores nucleares moderados, e os últimos são usados em reatores rápidos reatores de nêutrons e em armas). Como observado acima, o subgrupo de elementos fissionáveis que podem ser fissionados eficientemente com seus próprios nêutrons de fissão (potencialmente causando uma reação em cadeia nuclear em quantidades relativamente pequenas do material puro) são denominados " físseis ". Exemplos de isótopos físseis são urânio-235 e plutônio-239.

Saída

Os eventos de fissão típicos liberam cerca de duzentos milhões eV (200 MeV) de energia, o equivalente a aproximadamente> 2 trilhões de kelvin, para cada evento de fissão. O isótopo exato que é fissionado, seja ou não fissionável ou físsil, tem apenas um pequeno impacto na quantidade de energia liberada. Isso pode ser facilmente visto examinando a curva de energia de ligação (imagem abaixo), e observando que a energia de ligação média dos nuclídeos de actinídeo começando com urânio é de cerca de 7,6 MeV por nucleon. Olhando mais à esquerda na curva de energia de ligação, onde os produtos de fissão se agrupam, é facilmente observado que a energia de ligação dos produtos de fissão tende a se concentrar em torno de 8,5 MeV por nucleon. Assim, em qualquer evento de fissão de um isótopo na faixa de massa do actinídeo, cerca de 0,9 MeV é liberado por núcleo do elemento inicial. A fissão do U235 por um nêutron lento produz energia quase idêntica à da fissão do U238 por um nêutron rápido. Este perfil de liberação de energia é válido para o tório e os vários actinídeos menores também.

Em contraste, a maioria das reações de oxidação química (como a queima de carvão ou TNT ) liberam no máximo alguns eV por evento. Portanto, o combustível nuclear contém pelo menos dez milhões de vezes mais energia utilizável por unidade de massa do que o combustível químico. A energia da fissão nuclear é liberada como energia cinética dos produtos e fragmentos da fissão e como radiação eletromagnética na forma de raios gama ; em um reator nuclear, a energia é convertida em calor à medida que as partículas e os raios gama colidem com os átomos que compõem o reator e seu fluido de trabalho , geralmente água ou ocasionalmente água pesada ou sais fundidos .

Animação de uma explosão de Coulomb no caso de um aglomerado de núcleos carregados positivamente, semelhante a um aglomerado de fragmentos de fissão. O nível de matiz da cor é proporcional à carga do núcleo (maior). Elétrons (menores) nesta escala de tempo são vistos apenas estroboscopicamente e o nível de matiz é sua energia cinética

Quando um núcleo de urânio se divide em dois fragmentos de núcleos filhos, cerca de 0,1 por cento da massa do núcleo de urânio aparece como a energia de fissão de ~ 200 MeV. Para o urânio-235 (energia de fissão média total 202,79 MeV), normalmente ~ 169 MeV aparece como a energia cinética dos núcleos filhos, que se separam a cerca de 3% da velocidade da luz, devido à repulsão de Coulomb . Além disso, uma média de 2,5 nêutrons são emitidos, com uma energia cinética média por nêutron de ~ 2 MeV (total de 4,8 MeV). A reação de fissão também libera ~ 7 MeV em fótons de raios gama imediatos . A última figura significa que uma explosão de fissão nuclear ou acidente de criticidade emite cerca de 3,5% de sua energia como raios gama, menos de 2,5% de sua energia como nêutrons rápidos (total de ambos os tipos de radiação ~ 6%), e o resto como cinética energia dos fragmentos de fissão (aparece quase imediatamente quando os fragmentos impactam a matéria circundante, como simples calor ). Em uma bomba atômica, esse calor pode servir para elevar a temperatura do núcleo da bomba para 100 milhões de kelvin e causar a emissão secundária de raios X suaves, que convertem parte dessa energia em radiação ionizante. No entanto, em reatores nucleares, a energia cinética do fragmento de fissão permanece como calor de baixa temperatura, que por si só causa pouca ou nenhuma ionização.

As chamadas bombas de nêutrons (armas de radiação aprimorada) foram construídas, as quais liberam uma fração maior de sua energia como radiação ionizante (especificamente, nêutrons), mas são todos dispositivos termonucleares que dependem do estágio de fusão nuclear para produzir a radiação extra. A dinâmica de energia das bombas de fissão pura sempre permanece em cerca de 6% do rendimento total da radiação, como resultado imediato da fissão.

A energia total da fissão imediata chega a cerca de 181 MeV, ou ~ 89% da energia total que é eventualmente liberada pela fissão ao longo do tempo. O restante ~ 11% é liberado em decaimentos beta que têm várias meias-vidas, mas começam como um processo nos produtos de fissão imediatamente; e nas emissões gama atrasadas associadas a esses decaimentos beta. Por exemplo, no urânio-235 esta energia atrasada é dividida em cerca de 6,5 MeV em betas, 8,8 MeV em antineutrinos (liberados ao mesmo tempo que os betas) e, finalmente, um adicional de 6,3 MeV em emissão gama atrasada do beta- excitado produtos de decomposição (para um total médio de ~ 10 emissões de raios gama por fissão, ao todo). Assim, cerca de 6,5% da energia total de fissão é liberada algum tempo após o evento, como radiação ionizante não imediata ou retardada, e a energia ionizante retardada é quase uniformemente dividida entre a energia dos raios gama e beta.

Em um reator que está operando há algum tempo, os produtos de fissão radioativos terão acumulado concentrações de estado estacionário de modo que sua taxa de decaimento seja igual à sua taxa de formação, de modo que sua contribuição total fracionária para o calor do reator (via decaimento beta ) é o mesmo que essas contribuições fracionárias radioisotópicas para a energia de fissão. Nessas condições, o 6,5% de fissão que aparece como radiação ionizante retardada (gamas e betas retardados de produtos de fissão radioativos) contribui para a produção de calor do reator em estado estacionário sob energia. É esta fração de saída que permanece quando o reator é desligado repentinamente (sofre scram ). Por esta razão, a produção de calor de decaimento do reator começa com 6,5% da potência total de fissão do reator em estado estacionário, uma vez que o reator é desligado. No entanto, em poucas horas, devido ao decaimento desses isótopos, a potência de decaimento é muito menor. Consulte o calor de decomposição para obter detalhes.

O restante da energia retardada (8,8 MeV / 202,5 MeV = 4,3% da energia de fissão total) é emitida como antineutrinos, que na prática não são considerados "radiação ionizante". A razão é que a energia liberada como antineutrinos não é capturada pelo material do reator como calor e escapa diretamente por todos os materiais (incluindo a Terra) quase à velocidade da luz e para o espaço interplanetário (a quantidade absorvida é minúscula). A radiação de neutrino normalmente não é classificada como radiação ionizante, porque é quase totalmente não absorvida e, portanto, não produz efeitos (embora o evento muito raro de neutrino seja ionizante). Quase todo o resto da radiação (6,5% de radiação beta e gama atrasada) é eventualmente convertido em calor no núcleo de um reator ou em sua blindagem.

Alguns processos envolvendo nêutrons são notáveis por absorver ou finalmente produzir energia - por exemplo, a energia cinética dos nêutrons não produz calor imediatamente se o nêutron for capturado por um átomo de urânio-238 para gerar plutônio-239, mas esta energia é emitida se o plutônio-239 é posteriormente dividido. Por outro lado, os chamados nêutrons retardados emitidos como produtos de decaimento radioativo com meia-vida de até vários minutos, de filhas de fissão, são muito importantes para o controle do reator , pois dão um tempo de "reação" característico para a reação nuclear total para dobrar de tamanho, se a reação for executada em uma zona " crítica retardada " que deliberadamente depende desses nêutrons para uma reação em cadeia supercrítica (uma em que cada ciclo de fissão produz mais nêutrons do que absorve). Sem a existência deles, a reação em cadeia nuclear seria crítica imediata e aumentaria de tamanho mais rápido do que poderia ser controlada por intervenção humana. Neste caso, os primeiros reatores atômicos experimentais teriam fugido para uma perigosa e confusa "reação crítica imediata" antes que seus operadores pudessem desligá-los manualmente (por esta razão, o projetista Enrico Fermi incluiu hastes de controle contra-disparadas por radiação, suspensas por eletroímãs, que podem cair automaticamente no centro de Chicago Pile-1 ). Se esses nêutrons atrasados forem capturados sem produzir fissões, eles também produzirão calor.

Núcleos de produto e energia de ligação

Na fissão, há uma preferência em produzir fragmentos com números de prótons pares, o que é chamado de efeito ímpar-par na distribuição de carga dos fragmentos. No entanto, nenhum efeito ímpar-par é observado na distribuição do número de massa do fragmento . Este resultado é atribuído à quebra do par de núcleos .

Em eventos de fissão nuclear, os núcleos podem se dividir em qualquer combinação de núcleos mais leves, mas o evento mais comum não é a fissão para núcleos de massa igual de cerca de massa 120; o evento mais comum (dependendo do isótopo e do processo) é uma fissão ligeiramente desigual em que um núcleo filho tem uma massa de cerca de 90 a 100 u e o outro os restantes 130 a 140 u . As fissões desiguais são energeticamente mais favoráveis porque isso permite que um produto esteja mais próximo do mínimo energético próximo à massa 60 u (apenas um quarto da massa fissionável média), enquanto o outro núcleo com massa 135 u ainda não está longe da faixa de os núcleos mais fortemente ligados (outra afirmação disso, é que a curva de energia de ligação atômica é ligeiramente mais íngreme à esquerda da massa 120 u do que à direita dela).

Origem da energia ativa e a curva de energia de ligação

A "curva da energia de ligação": um gráfico da energia de ligação por núcleo de isótopos comuns.

A fissão nuclear de elementos pesados produz energia explorável porque a energia de ligação específica ( energia de ligação por massa) de núcleos de massa intermediária com números atômicos e massas atômicas próximas de ⁶² Ni e ⁵⁶ Fe é maior do que a energia de ligação específica do núcleo de núcleos muito pesados , de modo que a energia é liberada quando os núcleos pesados são quebrados. A massa total restante dos produtos de fissão ( Mp ) de uma única reação é menor que a massa do núcleo do combustível original ( M ). O excesso de massa Δm = M - Mp é a massa invariante da energia liberada na forma de fótons ( raios gama ) e a energia cinética dos fragmentos de fissão, de acordo com a fórmula de equivalência massa-energia E = mc ² .

A variação da energia de ligação específica com o número atômico se deve à interação das duas forças fundamentais que atuam nos núcleons componentes ( prótons e nêutrons ) que constituem o núcleo. Os núcleos são ligados por uma força nuclear atrativa entre os núcleos, que supera a repulsão eletrostática entre os prótons. No entanto, a força nuclear atua apenas em intervalos relativamente curtos (alguns diâmetros de núcleos ), uma vez que segue um potencial Yukawa em decadência exponencial que a torna insignificante em distâncias mais longas. A repulsão eletrostática é de maior alcance, pois decai por uma regra do inverso do quadrado, de modo que núcleos maiores que cerca de 12 núcleos de diâmetro atingem um ponto em que a repulsão eletrostática total supera a força nuclear e os torna espontaneamente instáveis. Pela mesma razão, núcleos maiores (mais de cerca de oito núcleos de diâmetro) são menos fortemente ligados por unidade de massa do que núcleos menores; quebrar um grande núcleo em dois ou mais núcleos de tamanho intermediário libera energia.

Também por causa do curto alcance da forte força de ligação, grandes núcleos estáveis devem conter proporcionalmente mais nêutrons do que os elementos mais leves, que são mais estáveis com uma proporção de 1 para 1 de prótons e nêutrons. Os núcleos com mais de 20 prótons não podem ser estáveis a menos que tenham mais do que um número igual de nêutrons. Nêutrons extras estabilizam elementos pesados porque eles aumentam a ligação de força forte (que atua entre todos os núcleos) sem aumentar a repulsão próton-próton. Os produtos da fissão têm, em média, aproximadamente a mesma proporção de nêutrons e prótons que seu núcleo original e, portanto, são geralmente instáveis ao decaimento beta (que transforma nêutrons em prótons) porque possuem proporcionalmente muitos nêutrons em comparação com isótopos estáveis de massa semelhante.

Essa tendência de os núcleos dos produtos de fissão sofrerem decaimento beta é a causa fundamental do problema dos resíduos radioativos de alto nível de reatores nucleares. Os produtos da fissão tendem a ser emissores beta , emitindo elétrons que se movem rapidamente para conservar a carga elétrica , à medida que o excesso de nêutrons se converte em prótons nos átomos dos produtos da fissão. Consulte Produtos de fissão (por elemento) para obter uma descrição dos produtos de fissão classificados por elemento.

Reações em cadeia

Uma reação em cadeia de fissão nuclear esquemática. 1. Um átomo de urânio-235 absorve um nêutron e se divide em dois novos átomos (fragmentos de fissão), liberando três novos nêutrons e alguma energia de ligação. 2. Um desses nêutrons é absorvido por um átomo de urânio-238 e não continua a reação. Outro nêutron é simplesmente perdido e não colide com nada, também não dando continuidade à reação. No entanto, um nêutron colide com um átomo de urânio-235, que então se fissiona e libera dois nêutrons e alguma energia de ligação. 3. Ambos os nêutrons colidem com átomos de urânio-235, cada um dos quais se fissiona e libera entre um e três nêutrons, que podem então continuar a reação.

Vários elementos pesados, como urânio , tório e plutônio , sofrem fissão espontânea , uma forma de decomposição radioativa e fissão induzida , uma forma de reação nuclear . Isótopos elementares que sofrem fissão induzida quando atingidos por um nêutron livre são chamados de fissionáveis ; isótopos que sofrem fissão quando atingidos por um nêutron térmico lento também são chamados de físseis . Alguns isótopos particularmente físseis e facilmente obtidos (notavelmente ²³³ U, ²³⁵ U e ²³⁹ Pu) são chamados de combustíveis nucleares porque eles podem sustentar uma reação em cadeia e podem ser obtidos em quantidades grandes o suficiente para serem úteis.

Todos os isótopos físseis e físseis sofrem uma pequena quantidade de fissão espontânea que libera alguns nêutrons livres em qualquer amostra de combustível nuclear. Esses nêutrons escapariam rapidamente do combustível e se tornariam um nêutron livre , com uma vida útil média de cerca de 15 minutos antes de decair em prótons e partículas beta . No entanto, os nêutrons quase invariavelmente impactam e são absorvidos por outros núcleos nas vizinhanças muito antes de isso acontecer (nêutrons de fissão recém-criados se movem a cerca de 7% da velocidade da luz, e mesmo nêutrons moderados se movem a cerca de 8 vezes a velocidade do som). Alguns nêutrons impactarão os núcleos de combustível e induzirão mais fissões, liberando ainda mais nêutrons. Se combustível nuclear suficiente for montado em um lugar, ou se os nêutrons em fuga estiverem suficientemente contidos, então esses nêutrons recém-emitidos superam os nêutrons que escapam da montagem, e uma reação em cadeia nuclear sustentada ocorrerá.

Uma montagem que apóia uma reação em cadeia nuclear sustentada é chamada de montagem crítica ou, se a montagem for quase inteiramente feita de combustível nuclear, massa crítica . A palavra "crítica" se refere a uma cúspide no comportamento da equação diferencial que governa o número de nêutrons livres presentes no combustível: se menos de uma massa crítica estiver presente, então a quantidade de nêutrons é determinada por decaimento radioativo , mas se uma massa crítica ou mais estiver presente, então a quantidade de nêutrons é controlada pela física da reação em cadeia. A massa real de uma massa crítica de combustível nuclear depende fortemente da geometria e dos materiais circundantes.

Nem todos os isótopos físseis podem sustentar uma reação em cadeia. Por exemplo, ²³⁸ U, a forma mais abundante de urânio, é fissionável, mas não físsil: ele sofre fissão induzida quando impactado por um nêutron energético com mais de 1 MeV de energia cinética. No entanto, muito poucos dos nêutrons produzidos pela fissão ²³⁸ U são energéticos o suficiente para induzir mais fissões em ²³⁸ U, portanto, nenhuma reação em cadeia é possível com este isótopo. Em vez disso, bombardear ²³⁸ U com nêutrons lentos faz com que ele os absorva (tornando-se ²³⁹ U) e decaia por emissão beta para ²³⁹ Np, que então decai novamente pelo mesmo processo para ²³⁹ Pu; esse processo é usado para fabricar ²³⁹ Pu em reatores reprodutores . A produção de plutônio in situ também contribui para a reação em cadeia de nêutrons em outros tipos de reatores após a produção de plutônio-239 suficiente, uma vez que o plutônio-239 também é um elemento físsil que serve como combustível. Estima-se que até metade da energia produzida por um reator "não reprodutor" padrão é produzida pela fissão do plutônio-239 produzido no local, ao longo do ciclo de vida total de uma carga de combustível.

Isótopos físseis não-físseis podem ser usados como fonte de energia de fissão mesmo sem uma reação em cadeia. Bombardear ²³⁸ U com nêutrons rápidos induz fissões, liberando energia enquanto a fonte de nêutrons externa estiver presente. Este é um efeito importante em todos os reatores onde nêutrons rápidos do isótopo físsil podem causar a fissão de núcleos ²³⁸ U próximos , o que significa que uma pequena parte do ²³⁸ U é "queimada" em todos os combustíveis nucleares, especialmente no reprodutor rápido reatores que operam com nêutrons de alta energia. Esse mesmo efeito de fissão rápida é usado para aumentar a energia liberada pelas armas termonucleares modernas , revestindo a arma com ²³⁸ U para reagir com nêutrons liberados pela fusão nuclear no centro do dispositivo. Mas os efeitos explosivos das reações em cadeia da fissão nuclear podem ser reduzidos pelo uso de substâncias como moderadores, que diminuem a velocidade dos nêutrons secundários.

Reatores de fissão

As torres de resfriamento da Usina Nuclear de Philippsburg , na Alemanha .

Os reatores de fissão crítica são o tipo mais comum de reator nuclear . Em um reator de fissão crítica, nêutrons produzidos pela fissão de átomos de combustível são usados para induzir ainda mais fissões, para sustentar uma quantidade controlável de liberação de energia. Dispositivos que produzem reações de fissão projetadas, mas não autossustentáveis, são reatores de fissão subcríticos . Esses dispositivos usam decaimento radioativo ou aceleradores de partículas para desencadear fissões.

Os reatores de fissão críticos são construídos para três finalidades principais, que normalmente envolvem diferentes trocas de engenharia para tirar vantagem do calor ou dos nêutrons produzidos pela reação em cadeia de fissão:

os reatores de energia destinam-se a produzir calor para a energia nuclear, seja como parte de uma estação geradora ou de um sistema de energia local, como um submarino nuclear .
os reatores de pesquisa destinam-se a produzir nêutrons e / ou ativar fontes radioativas para fins científicos, médicos, de engenharia ou outros fins de pesquisa.
reatores reprodutores destinam-se a produzir combustíveis nucleares a granel a partir de isótopos mais abundantes. O reator reprodutor rápido mais conhecidofaz²³⁹ Pu (um combustível nuclear) a partir do²³⁸ Unaturalmente muito abundante(não um combustível nuclear). Reatores reprodutores térmicos previamente testados usando²³² Th para reproduzir o isótopo físsil²³³ U ( ciclo de combustível de tório ) continuam a ser estudados e desenvolvidos.

Embora, em princípio, todos os reatores de fissão possam atuar em todas as três capacidades, na prática as tarefas levam a objetivos de engenharia conflitantes e a maioria dos reatores foi construída com apenas uma das tarefas acima em mente. (Existem vários contra-exemplos iniciais, como o reator Hanford N , agora desativado). Os reatores de potência geralmente convertem a energia cinética dos produtos da fissão em calor, que é usado para aquecer um fluido de trabalho e acionar uma máquina de calor que gera energia mecânica ou elétrica. O fluido de trabalho geralmente é água com uma turbina a vapor, mas alguns projetos usam outros materiais, como o hélio gasoso . Reatores de pesquisa produzem nêutrons que são usados de várias maneiras, com o calor da fissão sendo tratado como um produto residual inevitável. Reatores reprodutores são uma forma especializada de reator de pesquisa, com a ressalva de que a amostra sendo irradiada é geralmente o próprio combustível, uma mistura de ²³⁸ U e ²³⁵ U. Para uma descrição mais detalhada da física e dos princípios operacionais de reatores de fissão críticos, consulte física do reator nuclear . Para uma descrição de seus aspectos sociais, políticos e ambientais, consulte energia nuclear .

Bombas de fissão

A nuvem em forma de cogumelo da bomba atômica lançada sobre Nagasaki, Japão, em 9 de agosto de 1945, subiu mais de 18 quilômetros (11 milhas) acima do hipocentro da bomba . Estima-se que 39.000 pessoas foram mortas pela bomba atômica, das quais 23.145–28.113 eram trabalhadores de fábricas japonesas, 2.000 eram trabalhadores escravos coreanos e 150 eram combatentes japoneses.

Uma classe de arma nuclear , uma bomba de fissão (não deve ser confundida com a bomba de fusão ), também conhecida como bomba atômica ou bomba atômica , é um reator de fissão projetado para liberar tanta energia quanto possível o mais rápido possível, antes que o a energia faz com que o reator exploda (e a reação em cadeia pare). O desenvolvimento de armas nucleares foi a motivação por trás das primeiras pesquisas sobre a fissão nuclear que o Projeto Manhattan durante a Segunda Guerra Mundial (1 de setembro de 1939 - 2 de setembro de 1945) realizou a maior parte dos primeiros trabalhos científicos sobre reações em cadeia de fissão, culminando nos três eventos envolvendo bombas de fissão que ocorreram durante a guerra. A primeira bomba de fissão, de codinome "The Gadget", foi detonada durante o Teste da Trindade no deserto do Novo México em 16 de julho de 1945. Duas outras bombas de fissão, de codinome " Little Boy " e " Fat Man ", foram usadas no combate contra as cidades japonesas de Hiroshima e Nagasaki em 6 e 9 de agosto de 1945, respectivamente.

Mesmo as primeiras bombas de fissão eram milhares de vezes mais explosivas do que uma massa comparável de explosivo químico . Por exemplo, Little Boy pesava um total de cerca de quatro toneladas (das quais 60 kg era combustível nuclear) e tinha 3,4 m de comprimento; também produziu uma explosão equivalente a cerca de 15 quilotons de TNT , destruindo grande parte da cidade de Hiroshima. As armas nucleares modernas (que incluem uma fusão termonuclear , bem como um ou mais estágios de fissão) são centenas de vezes mais enérgicas para seu peso do que as primeiras bombas atômicas de fissão pura (ver rendimento de armas nucleares ), de modo que uma bomba de ogiva de míssil única moderna pesando menos de 1/8 do que Little Boy (veja por exemplo W88 ) tem uma produção de 475 quilotons de TNT e pode trazer destruição para cerca de 10 vezes a área da cidade.

Embora a física fundamental da reação em cadeia de fissão em uma arma nuclear seja semelhante à física de um reator nuclear controlado, os dois tipos de dispositivo devem ser projetados de maneira bem diferente (consulte a física do reator nuclear ). Uma bomba nuclear é projetada para liberar toda a sua energia de uma vez, enquanto um reator é projetado para gerar um suprimento constante de energia útil. Enquanto o superaquecimento de um reator pode levar a, e levou a, derretimento e explosões de vapor , o enriquecimento de urânio muito menor torna impossível para um reator nuclear explodir com o mesmo poder destrutivo de uma arma nuclear. Também é difícil extrair energia útil de uma bomba nuclear, embora pelo menos um sistema de propulsão de foguete , o Projeto Orion , fosse projetado para funcionar explodindo bombas de fissão atrás de uma espaçonave maciçamente acolchoada e protegida.

A importância estratégica das armas nucleares é um dos principais motivos pelos quais a tecnologia da fissão nuclear é politicamente sensível. Projetos de bombas de fissão viáveis estão, sem dúvida, dentro das capacidades de muitos, sendo relativamente simples do ponto de vista da engenharia. No entanto, a dificuldade de obter material nuclear físsil para realizar os projetos é a chave para a indisponibilidade relativa de armas nucleares para todos, exceto os governos industrializados modernos com programas especiais para produzir materiais físseis (ver enriquecimento de urânio e ciclo de combustível nuclear).

História

Descoberta da fissão nuclear

Hahn e Meitner em 1912

A descoberta da fissão nuclear ocorreu em 1938 nos prédios da Sociedade de Química Kaiser Wilhelm , hoje parte da Universidade Livre de Berlim , após mais de quatro décadas de trabalho na ciência da radioatividade e na elaboração de uma nova física nuclear que descreveu os componentes da átomos . Em 1911, Ernest Rutherford propôs um modelo do átomo no qual um núcleo de prótons muito pequeno, denso e carregado positivamente era cercado por elétrons em órbita carregados negativamente (o modelo de Rutherford ). Niels Bohr melhorou isso em 1913, reconciliando o comportamento quântico dos elétrons (o modelo de Bohr ). O trabalho de Henri Becquerel , Marie Curie , Pierre Curie e Rutherford elaborou ainda mais que o núcleo, embora fortemente ligado, pode sofrer diferentes formas de decaimento radioativo e, assim, transmutar em outros elementos. (Por exemplo, por decaimento alfa : a emissão de uma partícula alfa - dois prótons e dois nêutrons unidos em uma partícula idêntica a um núcleo de hélio .)

Algum trabalho na transmutação nuclear foi feito. Em 1917, Rutherford foi capaz de realizar a transmutação de azoto para oxigénio, usando alfa partículas dirigidas ao azoto ¹⁴ N + α → ¹⁷ o + p. Essa foi a primeira observação de uma reação nuclear , ou seja, uma reação em que partículas de um decaimento são usadas para transformar outro núcleo atômico. Eventualmente, em 1932, uma reação nuclear totalmente artificial e transmutação nuclear foi alcançada pelos colegas de Rutherford, Ernest Walton e John Cockcroft , que usaram prótons acelerados artificialmente contra o lítio-7, para dividir esse núcleo em duas partículas alfa. O feito era popularmente conhecido como "divisão do átomo" e lhes daria o Prêmio Nobel de Física de 1951 por "Transmutação de núcleos atômicos por partículas atômicas aceleradas artificialmente" , embora não fosse a reação de fissão nuclear descoberta posteriormente em elementos pesados.

Depois que o físico inglês James Chadwick descobriu o nêutron em 1932, Enrico Fermi e seus colegas em Roma estudaram os resultados do bombardeio de urânio com nêutrons em 1934. Fermi concluiu que seus experimentos criaram novos elementos com 93 e 94 prótons, que o grupo apelidou de ausônio e hesperium . No entanto, nem todos foram convencidos pela análise de Fermi de seus resultados, embora ele ganhasse o Prêmio Nobel de Física de 1938 por suas "demonstrações da existência de novos elementos radioativos produzidos por irradiação de nêutrons e por sua descoberta relacionada de reações nucleares provocadas por nêutrons lentos ". O químico alemão Ida Noddack sugeriu notavelmente na impressão em 1934 que, em vez de criar um novo e mais pesado elemento 93, que "é concebível que o núcleo se quebre em vários fragmentos grandes". No entanto, a conclusão de Noddack não foi seguida na época.

Aparelho experimental semelhante àquele com o qual Otto Hahn e Fritz Strassmann descobriram a fissão nuclear em 1938. O aparelho não estaria na mesma mesa ou na mesma sala.

Após a publicação de Fermi, Otto Hahn , Lise Meitner e Fritz Strassmann começaram a realizar experimentos semelhantes em Berlim . Meitner, uma judia austríaca, perdeu sua cidadania austríaca com o Anschluss , a união da Áustria com a Alemanha em março de 1938, mas ela fugiu em julho de 1938 para a Suécia e iniciou uma correspondência por correio com Hahn em Berlim. Por coincidência, seu sobrinho Otto Robert Frisch , também refugiado, também estava na Suécia quando Meitner recebeu uma carta de Hahn datada de 19 de dezembro descrevendo sua prova química de que parte do produto do bombardeio de urânio com nêutrons era bário . Hahn sugeriu uma ruptura do núcleo, mas ele não tinha certeza de qual era a base física para os resultados. O bário tinha uma massa atômica 40% menor do que o urânio, e nenhum método previamente conhecido de decomposição radioativa poderia ser responsável por uma diferença tão grande na massa do núcleo. Frisch estava cético, mas Meitner confiava na habilidade de Hahn como químico. Marie Curie vinha separando o bário do rádio há muitos anos, e as técnicas eram bem conhecidas. Meitner e Frisch então interpretaram corretamente os resultados de Hahn para significar que o núcleo de urânio havia se dividido aproximadamente ao meio. Frisch sugeriu que o processo fosse denominado "fissão nuclear", por analogia ao processo de divisão de células vivas em duas células, que era então chamado de fissão binária . Assim como o termo "reação em cadeia" nuclear mais tarde seria emprestado da química, o termo "fissão" foi emprestado da biologia.

As notícias se espalharam rapidamente sobre a nova descoberta, que foi corretamente vista como um efeito físico inteiramente novo com grandes possibilidades científicas - e potencialmente práticas. A interpretação de Meitner e Frisch da descoberta de Hahn e Strassmann cruzou o oceano Atlântico com Niels Bohr , que lecionaria na Universidade de Princeton . II Rabi e Willis Lamb , dois físicos da Universidade de Columbia trabalhando em Princeton, ouviram a notícia e levaram-na de volta para Columbia. Rabi disse que contou a Enrico Fermi ; Fermi deu crédito a Lamb. Bohr logo em seguida foi de Princeton a Columbia para ver Fermi. Não encontrando Fermi em seu escritório, Bohr desceu até a área do ciclotron e encontrou Herbert L. Anderson . Bohr o agarrou pelo ombro e disse: “Jovem, deixe-me explicar a você algo novo e empolgante na física”. Ficou claro para vários cientistas da Columbia que eles deveriam tentar detectar a energia liberada na fissão nuclear do urânio pelo bombardeio de nêutrons. Em 25 de janeiro de 1939, uma equipe da Universidade de Columbia conduziu o primeiro experimento de fissão nuclear nos Estados Unidos, que foi feito no porão do Pupin Hall . O experimento envolveu colocar óxido de urânio dentro de uma câmara de ionização e irradiá-lo com nêutrons e medir a energia assim liberada. Os resultados confirmaram que a fissão estava ocorrendo e sugeriram fortemente que era o isótopo urânio 235 que estava se fissionando. No dia seguinte, a Quinta Conferência de Física Teórica de Washington começou em Washington, DC, sob os auspícios conjuntos da Universidade George Washington e da Instituição Carnegie de Washington . Lá, as notícias sobre a fissão nuclear se espalharam ainda mais, o que gerou muito mais demonstrações experimentais.

Reação em cadeia de fissão realizada

Durante este período, o físico húngaro Leó Szilárd percebeu que a fissão de átomos pesados impulsionada por nêutrons poderia ser usada para criar uma reação em cadeia nuclear . Essa reação usando nêutrons foi uma ideia que ele formulou pela primeira vez em 1933, ao ler as observações depreciativas de Rutherford sobre a geração de energia do experimento de sua equipe de 1932 usando prótons para dividir o lítio. No entanto, Szilárd não tinha conseguido uma reação em cadeia conduzida por nêutrons com átomos de luz ricos em nêutrons. Em teoria, se em uma reação em cadeia conduzida por nêutrons o número de nêutrons secundários produzidos fosse maior que um, então cada uma dessas reações poderia desencadear múltiplas reações adicionais, produzindo um número exponencialmente crescente de reações. Era, portanto, uma possibilidade que a fissão do urânio pudesse render grandes quantidades de energia para fins civis ou militares (ou seja, geração de energia elétrica ou bombas atômicas ).

Szilard agora instou Fermi (em Nova York) e Frédéric Joliot-Curie (em Paris) a se absterem de publicar sobre a possibilidade de uma reação em cadeia, para que o governo nazista não tome conhecimento das possibilidades na véspera do que mais tarde seria conhecido como Mundial War II . Com alguma hesitação, Fermi concordou em se autocensurar. Mas Joliot-Curie não o fez, e em abril de 1939 sua equipe em Paris, incluindo Hans von Halban e Lew Kowarski , relatou na revista Nature que o número de nêutrons emitidos com a fissão nuclear do urânio foi então relatado em 3,5 por fissão. (Posteriormente, eles corrigiram isso para 2,6 por fissão.) O trabalho simultâneo de Szilard e Walter Zinn confirmou esses resultados. Os resultados sugeriram a possibilidade de construir reatores nucleares (inicialmente chamados de "reatores neutrônicos" por Szilard e Fermi) e até bombas nucleares. No entanto, muito ainda se desconhecia sobre os sistemas de fissão e reação em cadeia.

Desenho do primeiro reator artificial, Chicago Pile-1 .

As reações em cadeia naquela época eram um fenômeno conhecido na química , mas o processo análogo na física nuclear, usando nêutrons, havia sido previsto já em 1933 por Szilárd, embora Szilárd na época não tivesse ideia de quais materiais o processo poderia ser iniciado. Szilárd considerou que os nêutrons seriam ideais para tal, já que não tinham carga eletrostática.

Com a notícia de nêutrons de fissão de fissão de urânio, Szilárd compreendeu imediatamente a possibilidade de uma reação em cadeia nuclear usando urânio. No verão, Fermi e Szilard propuseram a ideia de um reator nuclear (pilha) para mediar esse processo. A pilha usaria urânio natural como combustível. Fermi havia mostrado muito antes que os nêutrons eram capturados com muito mais eficácia pelos átomos se fossem de baixa energia (os chamados nêutrons "lentos" ou "térmicos"), porque por razões quânticas isso fazia com que os átomos parecessem alvos muito maiores para os nêutrons. . Assim, para desacelerar os nêutrons secundários liberados pelos núcleos de urânio em fissão, Fermi e Szilard propuseram um "moderador" de grafite, contra o qual os nêutrons secundários rápidos e de alta energia colidiriam, efetivamente desacelerando-os. Com urânio suficiente e grafite puro o suficiente, sua "pilha" poderia teoricamente sustentar uma reação em cadeia de nêutrons lentos. Isso resultaria na produção de calor, bem como na criação de produtos de fissão radioativos .

Em agosto de 1939, Szilard e outros físicos refugiados húngaros Teller e Wigner pensaram que os alemães poderiam fazer uso da reação em cadeia de fissão e foram estimulados a tentar atrair a atenção do governo dos Estados Unidos para o assunto. Para isso, eles persuadiram o refugiado judeu-alemão Albert Einstein a emprestar seu nome para uma carta dirigida ao presidente Franklin Roosevelt . A carta de Einstein-Szilárd sugeria a possibilidade de uma bomba de urânio ser entregue por navio, o que destruiria "um porto inteiro e grande parte da paisagem circundante". O presidente recebeu a carta em 11 de outubro de 1939 - logo após o início da Segunda Guerra Mundial na Europa, mas dois anos antes da entrada dos Estados Unidos nela. Roosevelt ordenou que um comitê científico fosse autorizado a supervisionar o trabalho do urânio e alocou uma pequena quantia em dinheiro para pesquisas em pilhas.

Na Inglaterra, James Chadwick propôs uma bomba atômica utilizando urânio natural, com base em um artigo de Rudolf Peierls com a massa necessária para o estado crítico de 30–40 toneladas. Na América, J. Robert Oppenheimer pensou que um cubo de deutereto de urânio de 10 cm de lado (cerca de 11 kg de urânio) poderia "explodir-se no inferno". Nesse projeto, ainda se pensava que um moderador precisaria ser usado para a fissão da bomba nuclear (isso acabou não sendo o caso se o isótopo físsil fosse separado). Em dezembro, Werner Heisenberg entregou um relatório ao Ministério da Guerra alemão sobre a possibilidade de uma bomba de urânio. A maioria desses modelos ainda presumia que as bombas seriam alimentadas por reações lentas de nêutrons - e, portanto, seriam semelhantes a um reator submetido a uma excursão crítica de energia .

Em Birmingham, Inglaterra, Frisch se juntou a Peierls , um refugiado judeu-alemão. Eles tiveram a ideia de usar uma massa purificada do isótopo de urânio ²³⁵ U, que tinha uma seção transversal ainda não determinada, mas que se acreditava ser muito maior do que a do ²³⁸ U ou do urânio natural (que é 99,3% deste último isótopo) . Supondo que a seção transversal para a fissão de nêutrons rápida de ²³⁵ U fosse a mesma que para a fissão de nêutrons lenta, eles determinaram que uma bomba de ²³⁵ U pura poderia ter uma massa crítica de apenas 6 kg em vez de toneladas, e que a explosão resultante seria tremendo. (A quantidade na verdade acabou sendo 15 kg, embora várias vezes essa quantidade tenha sido usada na bomba de urânio ( Little Boy ) real ). Em fevereiro de 1940, eles entregaram o memorando Frisch – Peierls . Ironicamente, eles ainda eram considerados oficialmente "alienígenas inimigos" na época. Glenn Seaborg , Joseph W. Kennedy , Arthur Wahl e o refugiado ítalo-judeu Emilio Segrè logo depois descobriram ²³⁹ Pu nos produtos de decomposição de ²³⁹ U produzidos pelo bombardeio de ²³⁸ U com nêutrons e determinaram que era um material físsil, como ²³⁵ U .

A possibilidade de isolar o urânio-235 era tecnicamente assustadora, porque o urânio-235 e o urânio-238 são quimicamente idênticos e variam em sua massa apenas com o peso de três nêutrons. No entanto, se uma quantidade suficiente de urânio-235 pudesse ser isolada, isso permitiria uma rápida reação em cadeia de fissão de nêutrons. Isso seria extremamente explosivo, uma verdadeira "bomba atômica". A descoberta de que o plutônio-239 poderia ser produzido em um reator nuclear apontou para outra abordagem para uma bomba de fissão de nêutrons rápida. Ambas as abordagens eram extremamente novas e ainda não eram bem compreendidas, e havia considerável ceticismo científico com a ideia de que poderiam ser desenvolvidas em um curto espaço de tempo.

Em 28 de junho de 1941, o Escritório de Pesquisa e Desenvolvimento Científico foi formado nos Estados Unidos para mobilizar recursos científicos e aplicar os resultados da pesquisa à defesa nacional. Em setembro, Fermi montou sua primeira "pilha" ou reator nuclear, na tentativa de criar uma lenta reação em cadeia induzida por nêutrons no urânio, mas o experimento falhou em atingir a criticidade, devido à falta de materiais adequados, ou não o suficiente do adequado materiais que estavam disponíveis.

A produção de uma reação em cadeia de fissão no combustível de urânio natural estava longe de ser trivial. Os primeiros reatores nucleares não usavam urânio enriquecido isotopicamente e, em conseqüência, eram obrigados a usar grandes quantidades de grafite altamente purificado como materiais de moderação de nêutrons. O uso de água comum (em oposição à água pesada ) em reatores nucleares requer combustível enriquecido - a separação parcial e enriquecimento relativo do raro isótopo ²³⁵ U do muito mais comum isótopo ²³⁸ U. Normalmente, os reatores também requerem a inclusão de materiais moderadores de nêutrons extremamente puros , como deutério (em água pesada ), hélio , berílio ou carbono, este último geralmente como grafite . (A alta pureza do carbono é necessária porque muitas impurezas químicas, como o componente boro-10 do boro natural , são absorvedores de nêutrons muito fortes e, portanto, envenenam a reação em cadeia e a encerram prematuramente.)

A produção desses materiais em escala industrial teve que ser resolvida para a geração de energia nuclear e a produção de armas. Até 1940, a quantidade total de urânio metálico produzido nos EUA não ultrapassava alguns gramas, e mesmo isso era de pureza duvidosa; de berílio metálico não mais do que alguns quilogramas; e óxido de deutério concentrado ( água pesada ) não mais do que alguns quilogramas. Finalmente, o carbono nunca foi produzido em quantidade com a pureza exigida de um moderador.

O problema de produzir grandes quantidades de urânio de alta pureza foi resolvido por Frank Spedding usando o processo de termite ou " Ames ". O Laboratório Ames foi estabelecido em 1942 para produzir grandes quantidades de urânio metálico natural (não enriquecido) que seriam necessárias para as pesquisas futuras. O sucesso crítico da reação em cadeia nuclear do Chicago Pile-1 (2 de dezembro de 1942), que usava urânio não enriquecido (natural), como todas as "pilhas" atômicas que produziram o plutônio para a bomba atômica, também se deveu especificamente ao de Szilard percepção de que o grafite muito puro poderia ser usado para moderar até mesmo "pilhas" de urânio natural. Na Alemanha durante a guerra, a falha em apreciar as qualidades do grafite muito puro levou a projetos de reatores dependentes de água pesada, que por sua vez foi negada aos alemães pelos ataques aliados na Noruega, onde água pesada era produzida. Essas dificuldades - entre muitas outras - impediram os nazistas de construir um reator nuclear capaz de criticar durante a guerra, embora nunca tenham feito tanto esforço quanto os Estados Unidos na pesquisa nuclear, com foco em outras tecnologias (ver projeto de energia nuclear alemão para mais detalhes )

Projeto Manhattan e além

Nos Estados Unidos, um esforço total para a fabricação de armas atômicas foi iniciado no final de 1942. Esse trabalho foi assumido pelo Corpo de Engenheiros do Exército dos EUA em 1943 e conhecido como Distrito de Engenheiros de Manhattan. O ultrassecreto Projeto Manhattan , como era coloquialmente conhecido, era liderado pelo General Leslie R. Groves . Entre as dezenas de sites do projeto estavam: Hanford Site em Washington, que teve os primeiros reatores nucleares em escala industrial e produziu plutônio ; Oak Ridge, Tennessee , que se preocupava principalmente com o enriquecimento de urânio ; e Los Alamos , no Novo México, que foi o centro científico de pesquisa no desenvolvimento e projeto de bombas. Outros locais, notadamente o Laboratório de Radiação de Berkeley e o Laboratório Metalúrgico da Universidade de Chicago, desempenharam papéis importantes. A direção científica geral do projeto foi administrada pelo físico J. Robert Oppenheimer .

Em julho de 1945, o primeiro dispositivo explosivo atômico, apelidado de " Trinity ", foi detonado no deserto do Novo México. Foi alimentado por plutônio criado em Hanford. Em agosto de 1945, mais dois dispositivos atômicos - " Little Boy ", uma bomba de urânio-235, e " Fat Man ", uma bomba de plutônio - foram usados contra as cidades japonesas de Hiroshima e Nagasaki .

Nos anos após a Segunda Guerra Mundial, muitos países estiveram envolvidos no desenvolvimento da fissão nuclear para fins de reatores nucleares e armas nucleares. O Reino Unido abriu a primeira usina nuclear comercial em 1956. Em 2013, havia 437 reatores em 31 países.

Reatores em cadeia de fissão natural na Terra

A crítica na natureza é incomum. Em três depósitos de minério em Oklo no Gabão , dezesseis locais (os chamados Reatores Fósseis Oklo ) foram descobertos nos quais a fissão nuclear autossustentável ocorreu há aproximadamente 2 bilhões de anos. Desconhecido até 1972 (mas postulado por Paul Kuroda em 1956), quando o físico francês Francis Perrin descobriu os reatores fósseis de Oklo , percebeu-se que a natureza havia vencido os humanos. Reações em cadeia de fissão natural de urânio em grande escala, moderadas por água normal, ocorreram há muito tempo e não seriam possíveis agora. Este processo antigo foi capaz de usar água normal como moderador apenas porque 2 bilhões de anos antes do presente, o urânio natural era mais rico no isótopo físsil ²³⁵ U de vida curta (cerca de 3%), do que o urânio natural disponível hoje (que é apenas 0,7 %, e deve ser enriquecido a 3% para ser utilizável em reatores de água leve).

Veja também

Referências

Leitura adicional

DOE Fundamentals Handbook: Nuclear Physics and Reactor Theory Volume 1 (PDF) . Departamento de Energia dos EUA . Janeiro de 1993. Arquivo do original (PDF) em 19/03/2014 . Recuperado em 03/01/2012 .
DOE Fundamentals Handbook: Nuclear Physics and Reactor Theory Volume 2 (PDF) . Departamento de Energia dos EUA. Janeiro de 1993. Arquivo do original (PDF) em 2013-12-03 . Recuperado em 03/01/2012 .
Bulgac, Aurel; Jin, Shi; Stetcu, Ionel (2020). "Dinâmica de Fissão Nuclear: Passado, Presente, Necessidades e Futuro" . Fronteiras na Física . 8 : 63. arXiv : 1912,00287 . Bibcode : 2020FrP ..... 8 ... 63B . doi : 10.3389 / fphy.2020.00063 .

links externos

Os efeitos das armas nucleares
Bibliografia comentada sobre fissão nuclear da Biblioteca Digital Alsos
The Discovery of Nuclear Fission Historical account completo com áudio e guias do professor do American Institute of Physics History Center
atomicarchive.com Explicação da Fissão Nuclear
Nuclear Files.org O que é fissão nuclear?
Animação de Fissão Nuclear

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