O que é fissão nuclear?

A fissão nuclear é o processo no qual um grande núcleo se divide em dois núcleos menores com a liberação de energia. Em outras palavras, fissão é o processo no qual um núcleo é dividido em dois ou mais fragmentos, e nêutrons e energia são liberados.

As mudanças de massa e mudanças de energia associadas em reações nucleares são significativas. Por exemplo, a energia liberada da reação nuclear de 1 kg de urânio é equivalente à energia liberada durante a combustão de cerca de quatro bilhões de quilos de carvão.

O processo

Esta é a famosa equação de Albert Einstein relacionando massa e energia:

Isso significa que qualquer reação produz ou consome energia devido à perda ou ganho de massa. Energia e massa são equivalentes. Observe que, como c elevado à segunda potência é grande, uma pequena mudança na massa resulta em uma grande mudança na energia. Quando os núcleos , ou partículas que compõem o núcleo atômico, se combinam para formar um átomo, a energia é liberada. Correspondendo ao defeito de massa, a massa do núcleo é sempre menor que a soma das massas dos prótons e nêutrons individuais que o compõem.

Por outro lado, a energia é necessária para quebrar um núcleo em seus núcleos. A energia de ligação nuclear pode ser definida como a quantidade de energia necessária para quebrar um mol de núcleos em núcleons individuais. Quanto maior a energia de ligação por nucleon, mais fortes os nucleons são mantidos juntos e mais estável é o núcleo. Átomos menos estáveis têm energias de ligação mais baixas por núcleo. Em outras palavras, é mais difícil separar um núcleo com alta energia de ligação do que um núcleo com baixa energia de ligação. A energia de ligação por núcleo é uma função do número de massa. Os núcleos leves ganham estabilidade ao passar pela fusão nuclear. Os núcleos pesados ganham estabilidade ao sofrer fissão nuclear.

A figura a seguir mostra a energia de ligação em função do número de massa.

As energias de ligação nesta figura indicam que os núcleos pesados tendem a ser instáveis. Para ganhar estabilidade, eles podem se fragmentar em vários núcleos menores. Como os átomos com números de massa em torno de 60 são os mais estáveis, os átomos pesados (aqueles com número de massa maior do que 60) tendem a se fragmentar em átomos menores para aumentar sua estabilidade. A divisão de um núcleo em fragmentos é acompanhada por uma grande liberação de energia.

Central nuclear

As usinas nucleares usam a fissão nuclear para gerar energia. Os núcleos dos átomos de urânio, bem como os núcleos de outros átomos grandes, podem sofrer fissão nuclear naturalmente. A primeira reação de fissão nuclear descoberta envolveu o urânio-235 . As usinas nucleares usam o núcleo do urânio-235 para sofrer fissão ao atingi-los com nêutrons, conforme mostrado pelo modelo no diagrama a seguir.

A figura representa o processo de fissão nuclear quando um nêutron atinge um núcleo de urânio-235. O bário-141 e o criptônio-92 são apenas dois dos muitos produtos possíveis dessa reação de fissão. Na verdade, os cientistas identificaram mais de 200 isótopos de produtos diferentes da fissão de um núcleo de urânio-235.

Os elementos bário e criptônio são resultados típicos dessa fissão. A energia liberada por cada fissão pode ser encontrada calculando as massas dos átomos em cada lado da equação. Na reação que acabamos de ver, a massa total no lado direito da equação é 0,186 amu menor do que no esquerdo. A energia equivalente dessa massa é 2,78×10 ^ -11 J, ou 173 MeV. Essa energia aparece como a energia cinética dos produtos da fissão.

Reação em Cadeia Nuclear

Cada fissão do urânio-235 libera nêutrons adicionais, como mostrado nesta figura.

Se uma reação de fissão produz dois nêutrons, esses dois nêutrons podem causar duas fissões adicionais. Se essas duas fissões liberarem quatro nêutrons, esses quatro nêutrons dividirão outros núcleos e poderão então produzir mais quatro fissões, e assim por diante, resultando em uma reação em cadeia nuclear, conforme mostrado nesta figura.

Esta situação na figura acima é um tipo de reação em cadeia nuclear; uma série contínua de reações de fissão nuclear, um processo autossustentável em que uma reação inicia a seguinte.

O número de fissões e a quantidade de energia liberada podem aumentar rapidamente. Em uma reação em cadeia não controlada, grandes quantidades de energia são liberadas muito rapidamente, como mostrado aqui.

Na verdade, a tremenda energia de uma bomba atômica é o resultado de uma reação em cadeia descontrolada. Em contraste, as usinas nucleares usam reações em cadeia controladas. A energia liberada dos núcleos no combustível de urânio é usada para gerar energia elétrica. Um combustível comum é o óxido de urânio (IV) (UO2) fissionável envolto em hastes resistentes à corrosão. O U-238 é o isótopo mais abundante (99%) do urânio. O U-235 , que constitui 0,7% do urânio natural, tem a rara propriedade de ser capaz de sofrer fissão induzida. Os átomos de U-235 sofrem fissão quando atingidos por um nêutron. O combustível usado nas usinas nucleares é enriquecido para conter 3% de urânio-235, a quantidade necessária para sustentar uma reação em cadeia, e é chamado de urânio enriquecido . Adicionalbastões , geralmente feitos de cádmio ou boro, controlam o processo de fissão dentro do reator absorvendo nêutrons liberados durante a reação.

Manter a reação em cadeia em andamento enquanto evita que ela saia do controle requer monitoramento preciso e ajuste contínuo das hastes de controle. Grande parte da preocupação com as usinas nucleares concentra-se no risco de perder o controle do reator nuclear, possivelmente resultando na liberação acidental de níveis prejudiciais de radiação. O acidente de Three Mile Island nos Estados Unidos em 1979 e o acidente de Chernobyl na Ucrânia em 1986 são exemplos de por que controlar o reator é crítico.

Resumo da lição

Vamos revisar. Os núcleos de alguns átomos podem se quebrar em dois núcleos menores e mais estáveis durante um processo denominado fissão nuclear . Os núcleos pesados com número de massa superior a 60 tendem a ser instáveis e se dividem em núcleos menores com a liberação de energia. A reação em cadeia nuclear é uma série contínua de reações de fissão nuclear; um processo autossustentável em que uma reação inicia a próxima.

Termos-chave da fissão nuclear

Usina nuclear

Termos	Definições
Ficão nuclear	o processo envolvendo um grande núcleo se dividindo em dois núcleos menores e liberando energia
Nucleons	partículas que compõem o núcleo atômico
Energia de ligação nuclear	a quantidade de energia necessária para quebrar um mol de núcleos em núcleons individuais
Central nuclear	usinas que usam fissão nuclear para gerar energia
Urânio-235	usado na primeira reação de fissão nuclear descoberta
Reação em cadeia nuclear	uma série contínua de reações de fissão nuclear
Bomba atômica	o resultado de uma reação em cadeia descontrolada; libera uma energia tremenda
U-238	o isótopo mais abundante (99%) de urânio
U-235	constitui 0,7% do urânio natural; é capaz de sofrer fissão induzida
Urânio enriquecido	combustível usado em usinas nucleares enriquecido para conter 3% de urânio-235
Varas	controlar o processo de fissão dentro do reator, absorvendo nêutrons liberados durante a reação; feito de cádmio ou boro

Resultados de Aprendizagem

Quando esta lição terminar, os alunos devem ser capazes de:

Descreva o processo de fissão nuclear
Explique o que uma reação em cadeia nuclear acarreta
Identifique o que acontece nas usinas nucleares