Pegue um átomo pesado como o urânio ou o plutônio. Acerte-o com um nêutron. Observe-o quebrar.
Essa divisão é a fissão nuclear. Não é uma reação química. É algo muito mais violento e energético. O núcleo se divide em dois fragmentos aproximadamente iguais. Peças pesadas. Subprodutos radioativos. Mas a verdadeira história não são os escombros. É a energia.
Uma enorme quantidade de energia irrompe quando o átomo se quebra.
Este processo é o motor por trás das usinas nucleares. É também o mecanismo por trás das armas nucleares. A diferença está no controle. Cria-se uma reação em cadeia descontrolada. O outro mantém um pulso constante e controlável.
A Mecânica da Divisão
Por que a divisão de um átomo libera energia? A resposta está no defeito em massa.
A massa combinada dos dois fragmentos é ligeiramente menor que o núcleo original. Essa massa que falta não desaparece. Ele converte diretamente em energia. A equação de Albert Einstein, E=mc², explica esta conversão. Um pouquinho de massa produz uma quantidade colossal de energia porque o quadrado da velocidade da luz é um número muito grande.
Os fragmentos se desfazem. Eles carregam energia cinética. Eles batem nos átomos circundantes. O calor aumenta. O vapor gira turbinas. Fluxos de eletricidade.
Controlando a reação em cadeia
A fissão não acontece isoladamente. O processo de divisão frequentemente libera nêutrons adicionais. Esses nêutrons podem atingir outros átomos de urânio. Esses átomos se dividiram. Eles liberam mais nêutrons.
Esta é uma reação em cadeia.
Se não for controlada, a reação acelera exponencialmente. Isso é uma bomba. Se controlada, a reação permanece estável. Isso é um reator.
Varetas de controle feitas de materiais que absorvem nêutrons, como boro ou cádmio, são inseridas no núcleo. Eles absorvem o excesso de nêutrons. Eles retardam a reação. Os operadores ajustam essas hastes para manter o nível de potência desejado.
Por que é importante hoje
A fissão nuclear fornece uma parte significativa da electricidade hipocarbónica do mundo. Funciona de forma confiável. Ao contrário da energia solar ou eólica, não depende do clima. Não produz emissões diretas de carbono durante a operação.
No entanto, o desperdício permanece. Os fragmentos radioativos dos átomos divididos permanecem perigosos durante milhares de anos. O armazenamento e a eliminação são desafios constantes. A tecnologia é poderosa. Também é profundamente complexo.
Além da Energia
A fissão não envolve apenas usinas de energia. Os isótopos médicos são frequentemente produzidos em reatores. Esses isótopos ajudam a diagnosticar e tratar doenças. As terapias contra o câncer dependem de fontes de radiação precisas. Alguns vêm de subprodutos da fissão.
A ciência é simples em conceito. Divida um núcleo pesado. Obtenha energia. A aplicação é onde a complexidade assume o controle. Segurança, desperdício e política complicam o quadro.
A física não muda. As consequências sim.
À medida que a tecnologia avança, novos projetos de reatores visam maior eficiência e segurança. Pequenos reatores modulares prometem energia mais barata e escalável. A pesquisa de fusão oferece um caminho totalmente diferente – combinar átomos em vez de dividi-los. Mas a fissão continua a ser uma pedra angular do actual panorama energético.
Nós confiamos nisso. Nós tememos isso. Nós gerenciamos isso.
O átomo se divide. A energia flui. A questão não é se podemos fazer isso. É se podemos fazer isso com sabedoria.
Como a fissão nuclear realmente funciona
Tudo começa com uma divisão. Na fissão nuclear, o núcleo de um átomo se divide em dois núcleos mais leves. Isso não acontece apenas por diversão. Às vezes ocorre espontaneamente. Mais frequentemente, você tem que forçar o problema.
Você pode induzir a ruptura usando partículas como nêutrons, prótons, deutérios ou partículas alfa. Os raios gama também funcionam.
Uma vez que esse núcleo se rompa, a recompensa é enorme.
Liberação de energia em grandes quantidades. Produtos radioativos se formam instantaneamente. Vários nêutrons voam para o vazio.
E aqui está o chute. Esses nêutrons liberados? Eles não simplesmente se afastam. Eles atingiram núcleos próximos de material fissionável. Induzindo fissão ali. Liberando ainda mais nêutrons.
A sequência se repete. Uma reação em cadeia entra em ação. Os núcleos sofrem fissão em massa. Uma enorme quantidade de energia explode para fora.
Poder Controlado vs. Destruição Descontrolada
Coloque esta reação em cadeia sob controle. Faça isso em um reator nuclear. Você ganha poder. Energia limpa e densa para o benefício da sociedade.
Faça errado. Ou faça isso de propósito. Como em uma bomba atômica. O resultado é uma explosão de incrível força destrutiva.
A mesma física. Resultados opostos. Alimenta-se as cidades. O outro os nivela.
A Era Atômica e suas complicações
A descoberta da fissão nuclear abriu uma nova era. A Era Atômica.
Seu potencial para o bem ou para o mal moldou tudo. Mudanças sociológicas. Convulsões políticas. Booms econômicos. Saltos científicos.
Também trouxe graves preocupações. A relação risco-benefício não é simples. É uma caminhada constante na corda bamba.
Mesmo de uma perspectiva puramente científica, a fissão permanece complexa. Apresenta quebra-cabeças. As explicações teóricas estão incompletas. Compreendemos a mecânica melhor do que o quadro completo.
Sabemos como dividir o átomo.
Ainda estamos descobrindo o que realmente significa manter esse poder.
A palavra “fissão” só foi inventada em 1939. Os físicos alemães Lise Meitner e Otto Frisch cunharam o termo para descrever um núcleo pesado que se divide em dois núcleos mais leves, de tamanho aproximadamente igual. Foi o fim de uma saga científica caótica e o início de um período intenso de pesquisas.
A verdadeira história começou antes. James Chadwick descobriu o nêutron na Inglaterra em 1932. Enrico Fermi e sua equipe na Itália logo começaram a bombardear elementos com essas partículas neutras. Em 1934, eles notaram algo estranho. O bombardeio de urânio com nêutrons lentos criou quatro espécies radioativas diferentes. Eles emitiram partículas beta. Os cientistas pensaram ter encontrado elementos transurânicos com números atômicos 93, 94 ou superior.
Os radioquímicos reuniram-se para estudar esses novos isótopos. Os resultados foram confusos. A confusão durou até 1939.
Otto Hahn e Fritz Strassmann, na Alemanha, provaram definitivamente que esses elementos “transurânicos” eram na verdade bário, lantânio e outros elementos da tabela periódica intermediária. Eles seguiram uma pista de Irène Joliot-Curie e Pavle Savić na França.
Ida Noddack sugeriu em 1934 que elementos mais leves poderiam se formar a partir de núcleos pesados. A ideia foi ignorada. Desafiava a física nuclear aceita e carecia de provas químicas. Hahn e Strassmann forneceram a prova.
Meitner e Frisch usaram o modelo de gota líquida para explicar o processo. Eles apontaram a enorme liberação de energia. Laboratórios em todo o mundo confirmaram a reação. Em um ano, mais de 100 artigos descreveram o processo.
A evidência química que foi tão vital para levar Hahn e Strassmann à descoberta da fissão nuclear foi obtida pela aplicação de técnicas de transportadores e traçadores.
Como os cientistas identificaram produtos de fissão
As técnicas químicas foram cruciais. Quantidades invisíveis de espécies radioativas foram criadas. Os cientistas deduziram a sua identidade rastreando como eles se moviam com elementos transportadores conhecidos.
Eles adicionaram marcadores radioativos conhecidos. Eles compararam o comportamento para identificar as incógnitas. Desde então, esses métodos radioquímicos isolaram 34 elementos da fissão. A faixa vai do zinco (número atômico 30) ao gadolínio (número atômico 64).
A ampla gama de radioatividades torna a fissão uma rica fonte de traçadores. Eles são usados em aplicações químicas, biológicas e industriais.
Quais isótopos causam fissão e por que isso é importante
Os primeiros experimentos usaram urânio comum. Foi rapidamente estabelecido que o urânio-235 era o responsável. Ele fissiona com nêutrons lentos.
O urânio-238 é mais abundante. Requer nêutrons rápidos com energia superior a 1 MeV para a fissão. Os núcleos de tório e protactínio também fissionam com nêutrons rápidos.
Outras partículas também funcionam. Prótons, deutérios e alfas rápidos induzem a reação. Os raios gama também são eficazes.
A invenção do reator nuclear
Em 1939, Frédéric Joliot-Curie, Hans von Halban e Lew Kowarski descobriram que vários nêutrons foram emitidos durante a fissão do urânio-235. Isto sugeriu uma reação em cadeia autossustentável.
Fermi e seus colegas de trabalho viram o potencial. Eles reconheceram o poder de uma reação controlada. Em 2 de dezembro de 1942, eles conseguiram.
Eles operaram o primeiro reator nuclear do mundo. Foi chamado de “pilha”. Consistia em blocos de urânio e grafite. Foi construído no campus da Universidade de Chicago.
O Projeto Manhattan veio em seguida. Foi um esforço secreto. Desenvolveu a bomba atômica depois que os EUA entraram na Segunda Guerra Mundial.
Quando a guerra terminou, os esforços mudaram. Os cientistas desenvolveram novos tipos de reatores. Eles visavam a geração de energia em grande escala. Isso deu origem à indústria de energia nuclear.
Os fundamentos do processo de fissão estavam agora claros. A tecnologia passou da teoria para a realidade. As implicações para a energia e a guerra foram imediatas. O mundo mudou de maneiras que poucos poderiam ter previsto em 1934.
O segredo da fissão nuclear não é mágico. É estrutural. Você tem que ver como a matéria nuclear é construída. E quão estável é.
Os núcleos são feitos de núcleons. Essa é apenas a palavra chique para prótons e nêutrons. A contagem total dessas partículas é o seu número de massa. Bastante simples. Mas é aqui que fica estranho. A massa real de um núcleo é sempre menor que a soma de suas partes. Se você pegasse todos esses nêutrons e prótons livres e os pesasse separadamente, eles pesariam mais do que o núcleo que criaram.
A diferença entre esses dois pesos é o defeito de massa. E aquela massa que falta? Não desapareceu. Transformou-se em energia.
A equação de Einstein explica isso. E = mc 2. Energia é igual a massa vezes a velocidade da luz ao quadrado. É uma taxa de conversão enorme. Esse defeito de massa é uma medida direta da energia de ligação. Que é basicamente a cola que mantém o núcleo unido.
Pense desta forma. Quando um núcleo se forma, ele libera energia. Você tem que colocar a mesma quantidade de energia de volta para quebrá-lo. Para decompô-lo em núcleons individuais. Quanto maior a energia de ligação, mais estável é o núcleo. Quanto mais difícil é separar.
“A diferença é conhecida como defeito de massa e é uma medida da energia de ligação total (e, portanto, da estabilidade) do núcleo.”
Essa estabilidade é importante. Porque se o núcleo for instável, ele poderá se dividir. Fissão. Se estiver estável, ele fica lá. Esperando.
A energia liberada durante a formação é a mesma que você precisaria fornecer para destruí-la. É um ciclo fechado. Uma vedação hermética. Massa se transforma em energia. A energia mantém a massa unida. E é por isso que alguns átomos se dividem facilmente, enquanto outros permanecem intactos durante bilhões de anos.
Observe a curva de energia de ligação média por núcleon. É uma forma familiar na física, com pico próximo ao número de massa 56. Esse é o ponto ideal. Isso é ferro.
O gráfico conta uma história simples sobre estabilidade. O ferro fica no topo da colina. Se você tem um núcleo mais pesado que o ferro, ele quer se dividir. Ele quer se dividir em pedaços mais leves que ficam mais abaixo na encosta da energia. A diferença na energia de ligação não desaparece simplesmente. Ele é liberado. Isso é fissão.
Se você tem algo mais leve que o ferro, o caminho é diferente. Esses núcleos podem ganhar estabilidade ao se colidirem. Eles se fundem em um núcleo mais pesado com um defeito de massa maior. A diferença de massa se converte em energia. Isso é fusão. É o motor do sol. É a base da bomba de hidrogênio. É também o Santo Graal da geração de energia limpa, um campo que tem visto décadas de busca ativa, muitas vezes frustrante.
A Barreira à Decadência Espontânea
É aqui que o modelo energético simples falha.
Se as considerações energéticas fossem o único fator, toda a matéria acabaria por se transformar em ferro. Tudo buscaria aquela configuração mais estável. Mas isso não acontece. O universo não é tão preguiçoso – nem tão eficiente.
Existem barreiras. Outros fatores impedem a conversão espontânea.
Para entender por quê, os físicos tratam o núcleo como uma gota líquida carregada. É uma analogia qualitativa, mas se mantém. A força nuclear forte une os núcleons. É atraente. É poderoso. Mas é de curto alcance. Funciona apenas entre vizinhos mais próximos.
Os núcleons na superfície têm menos vizinhos do que aqueles enterrados no interior. Isso cria tensão superficial. A gota quer minimizar sua área de superfície para reduzir energia. A forma mais eficiente para delimitar o volume é uma esfera. Assim, o núcleo assume uma forma esférica.
O problema da repulsão de Coulomb
Os prótons não seguem as mesmas regras de curto alcance. Eles estão carregados positivamente. Eles se repelem através da força de Coulomb de longo alcance.
À medida que o núcleo cresce, esta repulsão torna-se um problema sério. Depois de ultrapassar uma contagem de núcleons de cerca de 40, a força atrativa da interação forte luta para manter tudo colado contra o impulso elétrico.
A solução? Diluição.
Núcleos mais pesados mantêm relativa estabilidade adicionando nêutrons em excesso. Os nêutrons aumentam a atração da força forte sem aumentar a repulsão de Coulomb. Eles atuam como cola, diluindo a densidade dos prótons. Você precisa de mais e mais nêutrons à medida que o número de massa aumenta para evitar que a gota se espalhe.
Este delicado equilíbrio define os limites da tabela periódica. Explica por que alguns elementos são estáveis e outros decaem. Isso explica por que não podemos simplesmente deixar o universo descambar até virar uma pilha de bolas de ferro. As barreiras são reais. A física é complexa. E a energia contida nessas gotas pesadas e ricas em nêutrons? Ainda esperando para ser desbloqueado.
Quando um núcleo fica excitado, ele começa a se mexer. Deixa de ser uma esfera perfeita.
As forças de superfície entram em ação imediatamente. Eles querem que o núcleo volte a ter uma forma redonda porque uma esfera minimiza a tensão superficial. Mas há uma contra-força. Os prótons internos estão se afastando. À medida que o núcleo se estica, esses prótons ficam mais distantes. A repulsão diminui.
Estas duas tendências opostas criam um problema. Uma barreira.
A Figura 2 mostra isso claramente. A curva de energia sobe inicialmente. Por que? Porque a força nuclear forte – a cola que mantém o núcleo unido – tem curto alcance e é potente. Combate a deformação.
Mas a repulsão de Coulomb entre os prótons enfraquece mais rápido do que a tensão superficial aumenta. Eventualmente, eles se encontram em um impasse.
Este é o ponto B.
Este local específico é conhecido como “ponto de sela”.
Num mapa tridimensional de energia potencial, este pico parece uma sela de cavalo. É o ponto mais alto de resistência antes que o núcleo se comprometa com a divisão. Se você não tiver energia suficiente para superar esta sela, nada acontece.
Além do ponto B, as regras mudam. A repulsão de Coulomb assume o controle. Isso leva o núcleo a um maior alongamento. Os prótons empurram com mais força do que a tensão superficial pode suportar. O núcleo se estica até quebrar.
Este é o ponto S, o ponto de cisão. O núcleo se divide em dois. Qualitativamente, a fissão é apenas o resultado da recusa dos prótons em permanecer próximos.
Fissão induzida
Nem todo núcleo se divide sozinho. A altura dessa barreira de energia depende inteiramente de qual núcleo você está olhando.
Para forçar a fissão, é necessário excitar o núcleo. Você precisa acertá-lo com energia suficiente para ultrapassar a barreira. Você pode fazer isso com raios gama (fotofissão) ou esmagando uma partícula nele. Nêutrons, prótons, o que quer que funcione.
É aqui que a natureza par-ímpar dos nêutrons é importante. Isso altera a energia de ligação.
Se você adicionar um nêutron a um núcleo que já possui um número ímpar de nêutrons, obterá um número par. Este emparelhamento é estável. A energia de ligação aumenta.
Se você adicionar um nêutron a um núcleo de nêutrons pares, obterá um número ímpar. O ganho de energia de ligação é menor.
Esta diferença explica porque alguns materiais se dividem com nêutrons lentos, enquanto outros exigem nêutrons rápidos.
A maioria dos elementos pesados são instáveis em relação à fissão, mas ficam em um buraco profundo. Eles precisam de um chute para sair.
- Urânio-233, Urânio-235, Plutônio-239: Estes têm números ímpares de nêutrons. Adicionar mais um nêutron libera energia de ligação suficiente para empurrá-los além da barreira. Nêutrons lentos e de baixa energia funcionam bem.
- Tório-232, Urânio-238: Estes têm números pares de nêutrons. O ganho de energia de ligação é muito fraco. Você precisa da energia cinética do nêutron que chega para compensar a diferença. É necessário um nêutron rápido com cerca de 1 MeV de energia.
A matemática é simples. Se a energia de ativação não estiver presente, a barreira se mantém.
Fissão espontânea
A mecânica quântica é estranha. Trata de probabilidades e não de certezas.
Mesmo no seu estado fundamental – a configuração de energia mais baixa, situada em segurança abaixo da barreira – um sistema fissionável tem uma probabilidade pequena e finita de estar do outro lado.
Pegue o urânio-238. Está confinado dentro da barreira. Mas o tunelamento quântico permite que ele penetre na parede. Não sobe. Ele passa.
Esta é a fissão espontânea. Nenhuma influência externa é necessária.
A probabilidade é mínima. Para o urânio-238, são necessários mais de US$ 10^{15}$ anos para que metade do material se decomponha dessa maneira. Isso é muito tempo.
Mas para os nuclídeos mais pesados conhecidos, a probabilidade aumenta. A barreira fica mais fina. A fissão espontânea torna-se o modo dominante de decadência. Alguns desses núcleos superpesados duram apenas frações de segundo.
Essa instabilidade é um limite rígido. Pode impedir completamente a formação de núcleos ainda mais pesados. O universo traça uma linha na areia e a fissão espontânea é a borracha.
Os estágios da fissão
A Figura 3 mapeia a linha do tempo de uma divisão pesada do núcleo. O relógio na parte inferior nos diz o quão rápido isso acontece. Não é uma queima lenta. É violento e instantâneo.
A probabilidade de divisão
Quando um núcleo pesado se rompe, ele nem sempre se quebra nos mesmos pedaços. Os nêutrons e prótons se movimentam de maneiras imprevisíveis. Isso cria uma distribuição de probabilidade para massa e carga nuclear.
Os cientistas chamam a probabilidade de um fragmento específico aparecer como seu rendimento de fissão. É medido como uma percentagem de todas as fissões que resultam nesse resultado específico.
Assim que o núcleo se rompe, as duas metades recuam. Eles estão carregados positivamente. A repulsa coulombiana entre eles é imensa. Eles se separam com energia cinética determinada por suas cargas e pela distância entre seus centros de carga no momento da cisão. Mesmo para a mesma divisão de massa, a energia varia. Os parâmetros mudam. A velocidade de recuo muda.
Descascando e desacelerando
Os fragmentos se movem rápido demais para seus próprios elétrons. Os elétrons atômicos não conseguem acompanhar. Eles são despojados.
Os fragmentos de fissão se separam como átomos altamente carregados, não como entidades neutras.
A carga nuclear não é neutralizada imediatamente pelos elétrons atômicos. O fragmento ainda está deformado. À medida que volta a uma forma estável, libera energia de deformação. Isso se converte em energia de excitação interna. Os nêutrons evaporam. Os raios gama imediatos são emitidos quase simultaneamente.
Esses átomos altamente carregados e em movimento rápido colidem com o meio pelo qual passam. No ar, o alcance é de apenas alguns centímetros. A energia cinética é transferida para o meio na forma de ionização e calor. O átomo desacelera.
Durante essa desaceleração, ele captura elétrons do ambiente. Torna-se neutro quando para. Agora não é mais um fragmento. É um produto de fissão.
O número de massa pode ter mudado. Nêutrons foram perdidos durante a transição. O produto ainda é radioativo. Não é estável. Ele sofre decaimento beta. A escala de tempo? Frações de segundo a muitos anos. A emissão beta produz elétrons e antineutrinos. Os raios gama e os raios X costumam participar da festa.
As variáveis ocultas
As distribuições de massa, carga e energia cinética dependem das espécies em fissão. Eles também dependem da energia de excitação do ato.
A fenomenologia é extensa. Existem muitos aspectos a serem interpretados. Considere a sistemática das seções transversais de fissão. Essa é uma medida da probabilidade de ocorrer fissão. Considere a variação nos nêutrons imediatos emitidos. Isso varia de acordo com a espécie e divisão em massa.
Observe a distribuição angular dos fragmentos em relação ao feixe de partículas. Veja as meias-vidas de fissão espontânea. Observe os isômeros de fissão espontânea, que são estados excitados do núcleo.
Alguns eventos emitem partículas leves como hidrogênio-3, hélio-3 ou hélio-4. Nem sempre. Mas em números pequenos e significativos. Existem emissores de nêutrons atrasados entre os produtos. A escala de tempo de cada estágio é importante. A distribuição da liberação de energia entre partículas e radiação é complexa.
Uma discussão completa de todas essas facetas é impossível aqui. Mas alguns detalhes fornecem informações. Eles oferecem um gostinho do fascínio.
Distribuições de massa de fragmentos de fissão
A forma como os fragmentos de fissão se separam é uma das características mais definidoras de todo o processo nuclear. Não é aleatório. Depende muito de duas coisas: a massa da divisão do núcleo e a energia de excitação presente quando isso acontece.
Em baixas energias de excitação, as coisas ficam assimétricas. Tomemos como exemplo o urânio-235 ou o plutônio-239. Eles não se dividem em duas metades iguais. Em vez disso, favorecem uma divisão desigual. Isso cria uma distribuição de probabilidade de duas curvas. O grupo leve de fragmentos muda para números de massa mais elevados à medida que o núcleo em fissão fica mais pesado. O grupo pesado permanece praticamente estacionário.
Aumente a energia e as regras mudam.
As divisões simétricas tornam-se mais prováveis. Os assimétricos caem. O vale entre os dois picos se enche. Em altas excitações, a curva torna-se única. O rendimento máximo fica na simetria.
Nem todos os núcleos seguem as mesmas regras. Os isótopos de rádio exibem uma estranha distribuição tripla. Os nuclídeos mais leves permanecem simétricos e de corcova única. Mas, em primeiro lugar, eles requerem energia de ativação significativa para a fissão. Depois, há os núcleos muito pesados próximos ao férmio-260. Aqui, a fissão espontânea produz uma curva simétrica e de corcunda única. As energias cinéticas dos fragmentos resultantes são invulgarmente elevadas.
Compreender essas distribuições tem sido um grande quebra-cabeça. Uma explicação teórica completa permanece ilusória, apesar do progresso significativo.
Como as cadeias de decaimento restauram o equilíbrio
A estabilidade exige uma proporção específica de nêutron para próton (n /p ). Essa proporção deve aumentar à medida que o número de prótons aumenta. Até o cálcio (20 prótons), a proporção se mantém na unidade. Depois disso, ele sobe. Para os elementos mais pesados, chega a cerca de 1,5.
Quando um núcleo pesado se fissiona, ele emite alguns nêutrons. Isso ajuda, mas não o suficiente. Os fragmentos restantes ainda apresentam uma proporção n /p muito alta para estabilidade. Eles são instáveis.
Eles consertam isso através do decaimento radioativo. Especificamente, decaimento beta-menos. Os nêutrons se convertem em prótons. Um elétron negativo (partícula beta) e um antineutrino são emitidos. O número de massa permanece o mesmo. O número atômico aumenta em um. Um novo elemento nasce a cada conversão.
Esses decaimentos beta sucessivos formam uma cadeia de decaimento isobárica do produto de fissão. Cada número de massa tem sua própria cadeia. As meias-vidas destas espécies radioativas geralmente aumentam à medida que se aproximam da isóbara estável no final da linha.
Para ser claro na terminologia:
– Isótopos compartilham a mesma carga nuclear (Z, prótons), mas diferem na contagem de nêutrons e no número de massa (A ).
– Isóbaras compartilham o mesmo número de massa (A ), mas diferem no número atômico (Z ).
Considere uma divisão de massa típica na fissão do urânio-235 induzida por nêutrons. Se dois nêutrons são emitidos a partir dos fragmentos iniciais, formam-se massas complementares de 93 e 141. A divisão de carga entre esses fragmentos é um parâmetro crítico no processo.
Para estas massas específicas, as cadeias de decaimento isobárico procedem da seguinte forma. As meias-vidas para cada etapa do decaimento beta são indicadas ao longo das setas de transição.
A matemática por trás da fissão nuclear é precisa. Se você olhar o símbolo de um elemento, o número inferior é Z (prótons) e o número superior é A (massa). Quando o urânio-235 se divide, ele deve manter todos os 92 prótons contabilizados. O núcleo não se quebra aleatoriamente. Tende a se dividir em pares complementares. Criptônio-36 e Bário-56. Rubídio-37 e Césio-55. Estrôncio-38 e Xenônio-54. Essas combinações conservam a carga. Eles são os resultados prováveis.
Independente vs. Rendimento Cumulativo
Nem todos os produtos da fissão aparecem da mesma forma. Alguns aparecem instantaneamente. Alguns levam tempo. O rendimento independente mede a frequência com que um nuclídeo específico se forma diretamente a partir dos fragmentos iniciais após eles esfriarem. É o golpe direto. Mas essa não é toda a história.
Se quiser a imagem completa, você precisa do rendimento cumulativo. Esta é a porcentagem total de qualquer nuclídeo em uma cadeia de decaimento. Você consegue isso adicionando o rendimento independente desse nuclídeo aos rendimentos de cada precursor que decai nele. É um jogo de soma. O rendimento total de toda a cadeia para um número de massa específico é o que chamamos de rendimento cumulativo.
A hipótese de deslocamento de carga igual
Os radioquímicos estudam isso há décadas. Eles encontraram um padrão. A divisão de taxas mais provável não está centrada na estabilidade. Está deslocado. E aqui está o chute: ele está deslocado na mesma distância tanto nos fragmentos leves quanto nos pesados. Os cientistas chamam isso de hipótese de deslocamento igual de carga (ECD). Medições físicas comprovaram isso.
No exemplo do rubídio-césio que mencionei anteriormente, o ECD prevê que as cargas mais prováveis estão em torno do Rubídio-37 e do Césio-55. Mas a natureza gosta de atalhos. Se um fragmento tiver 50 prótons, um forte efeito de casca entra em ação. Isso vai contra as expectativas do ECD. A distribuição da formação de carga é estreita. Parece gaussiano. É quase o mesmo, independentemente da divisão da massa ou do átomo específico em fissão.
A cobrança mais provável ($Z_p$) é um conceito útil aqui. Não precisa ser um número inteiro. É uma média estatística. À medida que a energia de fissão aumenta, os fragmentos tentam manter a mesma proporção nêutron-próton ($n/p$) do núcleo original. Isso é chamado de distribuição de encargos inalterada.
Nêutrons imediatos: a explosão imediata
Quantos nêutrons saem? Isso varia. O número médio por fissão é $\bar{\nu}$. Para a fissão espontânea do urânio-238, é cerca de 2,0. Para o férmio-257, salta para 4,0. Para a fissão do urânio-235 induzida por nêutrons térmicos, é 2,4.
Mas $\bar{\nu}$ é uma média. Cada evento individual é diferente. Depende de como ocorre a divisão em massa. Ainda há debate sobre quantos nêutrons voam no momento da cisão. A maioria dos físicos concorda, porém, que a maior parte dos nêutrons é liberada pelos fragmentos que recuam logo após se dividirem.
Por que? Energia. Os fragmentos têm energia. Calor de excitação interna. Energia de deformação armazenada como uma mola. Quando o fragmento volta à sua forma estável, essa energia libera nêutrons. Quanto mais energia o fragmento tiver, mais nêutrons ele expelirá.
Nêutrons atrasados: o mecanismo de controle
A maioria dos nêutrons são rápidos. Alguns estão atrasados. Isso acontece quando os produtos de fissão decaem beta. A energia do decaimento beta é alta. Maior que a energia de ligação de um nêutron no núcleo filho. Isso geralmente ocorre quando o filho tem um ou dois nêutrons extras além de uma camada fechada de 50 ou 82. Esses nêutrons extras estão fracamente ligados.
A decadência beta leva a filha a um estado de excitação. Um estado excitado que é instável. Ele emite um nêutron. Mas não é instantâneo. É atrasado pela meia-vida do precursor. Identificamos seis desses emissores de nêutrons atrasados. Suas meias-vidas variam de 0,5 segundos a 56 segundos.
Seu rendimento é minúsculo. Cerca de 1 por cento dos nêutrons imediatos. Então, por que eles são importantes? Sem eles, controlar um reator nuclear seria quase impossível. A reação em cadeia mudaria rápido demais para que as mãos humanas ou mesmo a maioria dos sistemas mecânicos pudessem se ajustar. Esses nêutrons atrasados nos dão tempo. Eles tornam a reação controlável.
Cálculos de liberação de energia
De onde vem o calor? Diferença de massa. Você calcula a liberação total de energia observando as massas restantes. Reagentes versus produtos. Pegue o urânio-235 mais um nêutron. Compare-o com produtos finais estáveis como nióbio-93 e praseodímio-141 mais dois nêutrons. A massa não é conservada. Parte disso desapareceu.
A equação de Einstein, $E=mc^2$, nos diz para onde foi. Tornou-se energia. A liberação total depende da divisão de massa específica. Mas na fissão do urânio-235 induzida por nêutrons térmicos, a energia se distribui em um padrão previsível.
A maioria fica com os fragmentos. Energia cinética. Os fragmentos se separam em alta velocidade, colidindo com os átomos circundantes, criando calor. Depois, há os nêutrons. Eles carregam energia cinética. Os raios gama liberam energia instantaneamente. Partículas beta e neutrinos transportam energia durante a decadência. Os neutrinos, infelizmente, escapam completamente. Eles levam energia com eles e nunca a abandonam.
É por isso que o projeto do reator é tão complexo. Você está gerenciando o calor nos sólidos, a radiação no vácuo e as partículas que escapam para o espaço. A matemática está limpa. A realidade é confusa. E a distribuição de energia determina o quão quente o seu núcleo fica.
A física da energia perdida e modelos nucleares
Nem todo nêutron capturado no núcleo de um reator permanece parado. Alguns escapam completamente, e a liberação de energia desses nêutrons imediatos depende de como eles são finalmente interrompidos. Essa liberação imediata de energia acontece em uma escala de tempo de cerca de $10^{-12}$ segundos. É amplamente convertido em calor dentro de um reator em operação e é usado para geração de energia.
Mas também há uma liberação retardada de energia. Isto vem do decaimento radioativo dos produtos de fissão, cuja meia-vida varia de frações de segundo a muitos anos. As espécies de vida mais curta decaem no reator e sua energia aumenta o calor gerado; no entanto, as espécies de vida mais longa permanecem radioativas e representam um problema no manuseio e disposição dos elementos combustíveis do reator quando eles precisam ser substituídos.
Os antineutrinos que acompanham o decaimento beta dos produtos de fissão não são reativos e sua energia cinética (cerca de 10 MeV por fissão) não é recuperada. No geral, cerca de 200 MeV de energia por fissão podem ser recuperados para aplicações energéticas.
O desafio da precisão teórica
A fissão nuclear é um processo complexo que envolve o rearranjo de centenas de núcleons em um único núcleo para produzir dois núcleos separados. Uma compreensão teórica completa desta reação exigiria um conhecimento detalhado das forças envolvidas no movimento de cada um dos núcleons ao longo do processo. Como tal conhecimento ainda não está disponível, é necessário construir modelos simplificados do sistema real para simular seu comportamento e obter uma descrição tão precisa quanto possível das etapas do processo. Os sucessos e fracassos dos modelos na contabilização das várias observações do processo de fissão podem fornecer novos conhecimentos sobre a física fundamental que rege o comportamento dos núcleos reais, particularmente nas grandes deformações nucleares encontradas num núcleo em fissão.
A estrutura para a compreensão das reações nucleares é análoga àquela das reações químicas e envolve o conceito de uma superfície de energia potencial na qual a reação ocorre. A força motriz para reações físicas ou químicas é a tendência de diminuir a energia potencial e aumentar a estabilidade do sistema. Assim, por exemplo, uma pedra no topo de uma colina rolará colina abaixo, convertendo a sua energia potencial no topo em energia cinética de movimento, e irá parar na parte inferior num estado mais estável de energia potencial mais baixa. A energia potencial é calculada em função de diversos parâmetros do sistema em estudo. No caso da fissão, a energia potencial pode ser calculada em função da forma do sistema à medida que este atravessa a barreira até ao ponto de cisão, e o caminho da energia potencial mais baixa pode ser determinado.
Como foi apontado, um cálculo exato da energia potencial nuclear ainda não é possível, e é para aproximar esse cálculo que vários modelos foram construídos para simular o sistema real. Alguns dos modelos foram desenvolvidos para abordar aspectos da estrutura nuclear e espectroscopia, bem como características das reações nucleares, e também foram empregados na tentativa de compreender a complexidade da fissão nuclear. Os modelos baseiam-se em diferentes suposições e aproximações sobre a natureza das forças nucleares e a dinâmica do caminho para a cisão. Nenhum modelo pode explicar toda a extensa fenomenologia da fissão, mas cada um aborda diferentes aspectos do processo e fornece uma base para um maior desenvolvimento em direção a uma teoria completa.
A gota líquida e o mistério da assimetria
O núcleo não fica apenas parado ali. Ele se move. Às vezes, a coisa toda balança como uma gota d’água. Outras vezes, partículas individuais dançam em suas próprias pistas. Essa dualidade confundiu os físicos durante décadas.
George Gamow deu o pontapé inicial em 1935. Ele imaginou o núcleo como uma gota líquida incompressível. Niels Bohr pegou essa ideia e a executou. Em 1939, Bohr e John A. Wheeler usaram o modelo de gota líquida para explicar a fissão nuclear. O conceito era simples. Você atira um nêutron em um núcleo. Ele é absorvido. A energia se espalha. O núcleo oscila. Eventualmente, ele se divide.
O modelo funcionou bem para o quadro geral. Mostrou como a força nuclear forte que tenta manter as coisas unidas compete com a repulsão elétrica entre os prótons que tentam separá-las. Mas tinha uma falha fatal. Previu que quando um núcleo se divide, ele se divide em duas metades iguais. Simétrico. Limpar.
Não aconteceu assim.
A fissão resulta em massas desiguais. Uma peça é grande. O outro é pequeno. O modelo de gota líquida não conseguiu explicar esta assimetria de massa. Também lutou contra as massas do estado fundamental e as barreiras de fissão. Para núcleos altamente excitados, o modelo funcionou bem. Para os estáveis? Nem tanto.
Conchas e Números Mágicos
Os cientistas precisavam de um ângulo diferente. Eles pararam de olhar para o núcleo como uma bolha. Eles começaram a olhar para partículas individuais.
Imagine um único núcleon movendo-se através de um campo criado por todos os outros. É um potencial médio. Um poço esférico. A mecânica quântica resolve o movimento de uma partícula nesse poço. O resultado? Níveis de energia.
Nêutrons e prótons têm seus próprios conjuntos de níveis. Eles se agrupam em conchas. Assim como os elétrons em um átomo. Certos números de núcleons preenchem completamente essas conchas. Estes são os números mágicos.
2, 8, 20, 28, 50, 82, 126.
Núcleos com esses números são teimosamente estáveis. Eles se ligam firmemente. Maria Goeppert Mayer e J. Hans D. Jensen formalizaram isso em 1949. Eles o chamaram de modelo de casca esférica. Também conhecido como modelo de partículas independentes.
Explicava as massas do estado fundamental. Explicava os giros nucleares. Explicou por que alguns estados excitados duram mais que outros (isômeros). Se o núcleo for esférico e próximo de um número mágico, o modelo é excelente.
Mas e o resto da tabela periódica?
O Núcleo Deformado
Pegue os lantanídeos e actinídeos. Lantânio através do lutécio. Actínio através de Lawrêncio. Suas contagens de núcleons ficam entre os números mágicos.
O modelo de casca esférica falha aqui. Esses núcleos não são esféricos. Eles estão deformados. Eles se esticam. Eles se parecem com uma bola de futebol. Ou uma melancia.
Em 1955, Aage Bohr, Ben R. Mottelson e Sven G. Nilsson intervieram. Eles calcularam o movimento de um núcleon em um potencial esferoidal. Não é uma esfera. Um esferóide.
Um esferóide possui três eixos de simetria. Ele pode girar. A rotação acontece independentemente da excitação interna dos núcleons. O núcleo também pode vibrar. Pode pulsar.
Esta abordagem híbrida combinou o movimento independente das partículas com o movimento coletivo de todo o sistema. Rotações. Vibrações. Estruturas de casca.
Eles o chamaram de modelo unificado. Tornou-se o modelo de concha deformada.
Não foi apenas um ajuste. Foi uma mudança na forma como vemos o núcleo atômico. O núcleo não é apenas uma gota. Não é apenas uma coleção de bolas isoladas. É um objeto dinâmico e deformável.
Por que isso importa?
Porque a fissão nuclear não se trata apenas de quebrar coisas. Trata-se de compreender a estrutura que os sustenta. A assimetria da fissão está ligada a esses efeitos de concha. Os níveis de energia mudam à medida que o núcleo se deforma. O caminho para a divisão torna-se complexo.
Ainda usamos o modelo de gota líquida. É útil para colisões de alta energia. Mas pelos detalhes sutis? Para as divisões em massa? Para a estabilidade de elementos pesados? Você precisa do modelo shell. Você precisa da deformação.
A história do núcleo é a história desses modelos concorrentes. Derrubar. Concha. Unificado. Eles não se cancelam. Eles se sobrepõem.
Ainda estamos refinando os parâmetros. Ainda ajustando os potenciais. O núcleo continua sendo um dos sistemas de pequena escala mais complexos que conhecemos.
E ainda nem começamos com os quarks dentro dos prótons.
Aage Bohr aplicou o modelo unificado à fissão tratando os estados excitados de um sistema como funções de um parâmetro de deformação. Pense neste parâmetro como alongamento – o alongamento físico do núcleo à medida que ele se move em direção à divisão. Bohr avaliou esses estados no ponto de sela. Este é o pico da barreira energética.
Aqui está o problema. Uma vez que o sistema atinge o ponto de sela, a maior parte de sua energia de excitação vai para a deformação do núcleo. O sistema fica “frio”. Resta pouca energia térmica. Apenas estados excitados de baixa altitude estão disponíveis. É aqui que as coisas ficam complicadas para os teóricos.
Como o spin e a paridade ditam os caminhos da fissão
O spin e a paridade do canal específico que o sistema ocupa no ponto de sela determinam o resultado da fissão. Isso é conhecido como análise do estado de transição. É responsável qualitativamente por várias características-chave do processo.
Os limiares de fissão dependem do spin e da paridade do estado nuclear composto. A distribuição angular dos fragmentos é governada pelo momento angular rotacional coletivo desse estado. A assimetria na distribuição de massa resulta da passagem pela barreira num estado de paridade negativa. A paridade negativa carece de simetria de reflexão.
“É o único modelo que fornece uma interpretação satisfatória das distribuições angulares dos fragmentos de fissão.”
O modelo funciona bem, mas tem uma suposição importante. Ele assume que as propriedades do estado de transição no ponto de sela não são alteradas por considerações dinâmicas durante a descida até o ponto de cisão. Este é um grande “se”. Apesar disso, o modelo continua essencial. Qualquer teoria completa da fissão deve incluir as suas características atraentes.
Por que os números mágicos são importantes para a divisão em massa
O primeiro uso do modelo de casca esférica na fissão foi mais simples. Reconheceu que os picos na distribuição de massa da fissão estavam correlacionados com números mágicos. Isto sugeriu uma interpretação qualitativa da divisão de massa assimétrica.
Os núcleos preferem estabilidade. A preferência pela formação de núcleos com números de nêutrons próximos a 82 favorece o pico do grupo pesado. Isso determina a divisão de massa do sistema de fissão. Veja a Figura 4 nos dados originais.
Esperava-se estabilidade extra para 50 prótons. Não é particularmente evidente nos dados. Pegue o estanho-132. É um núcleo duplamente mágico com 50 prótons e 82 nêutrons. O seu rendimento na fissão de baixa energia é bastante baixo. O modelo não é perfeito.
Peter Fong e a abordagem estatística
Peter Fong, nos Estados Unidos, fez uma aplicação mais quantitativa em 1956. Ele usou uma abordagem de modelo estatístico. Ele relacionou a probabilidade de formar um determinado par de fragmentos com a densidade de estados disponível no ponto de cisão.
A lógica é direta. Movimento aleatório significa que o sistema experimenta todas as configurações possíveis. Tem maior probabilidade de estar em regiões onde se concentra o maior número de configurações. O modelo assume que a energia potencial no ponto de sela é convertida em energia de excitação. O equilíbrio estatístico entre todos os estados é estabelecido no ponto de cisão.
Os núcleos de casca fechada possuem energia de ligação extra. Isto leva a uma maior densidade de estados em uma determinada energia de excitação. Outros núcleos não. Isto cria uma maior probabilidade de formação para configurações de casca fechada. O resultado é uma distribuição de massa assimétrica. Concorda bem com as observações da fissão do urânio-235 induzida por nêutrons.
O Problema do Equilíbrio do Ponto de Cissão
Mudanças na distribuição de massa com aumento da energia de excitação também são explicadas. À medida que a energia de excitação aumenta, a importância dos efeitos de casca diminui. Isto aumenta a probabilidade de fissão simétrica em relação à fissão assimétrica.
Outras características são explicadas qualitativamente. No entanto, são necessárias mudanças extensas nos parâmetros do modelo para combinar experimentos com outros nuclídeos fissionáveis. Existem problemas fundamentais com as suposições básicas.
A questão central dos modelos de ponto de cisão é a validade. O sistema permanece no ponto de cisão por tempo suficiente no declínio acentuado da superfície de energia potencial? Haverá tempo para que uma condição de quase equilíbrio seja estabelecida?
Há algumas evidências de que tal condição prevalece. Não está claramente estabelecido. Ainda assim, estes modelos revelam-se úteis. Eles interpretam observações de distribuições de massa, carga e energia cinética. Eles explicam a dependência da emissão de nêutrons na massa do fragmento.
A estrutura do shell do fragmento provavelmente desempenha um papel significativo. Determina o curso do processo de fissão. Os detalhes permanecem sem solução. A física é confusa.
Modelos de gota líquida são ótimos para formas gerais. Eles falham quando os núcleos se esticam. Especificamente, eles ignoram os custos de energia superficial em grandes deformações. Este é um problema para a fissão.
V. M. Strutinskii corrigiu isso em 1967. Ele era um físico russo. Ele propôs um modelo híbrido. Ele adiciona efeitos de casca ao potencial de queda de líquido. A parte da gota líquida mantém a superfície coletiva e os efeitos Coulomb. As correções da casca dependem da deformação. Essas correções podem atingir vários milhões de elétron-volts. Isso supera a barreira contra queda de líquido de cerca de 5 MeV.
A estabilidade da casca muda com a forma. Os números mágicos mudam de valores esféricos. Perto da barreira de fissão, isto cria estrutura na curva de energia. A Figura 7 mostra isso. Os dois picos variam de acordo com a massa e a carga.
A barreira dupla explica os isômeros
Esta forma de corcova dupla resolve quebra-cabeças de fissão. Existem isômeros de fissão espontânea de vida curta. Eles moram no segundo poço. Estados de classe II. A barreira para sair é menor. As meias-vidas são mais curtas.
Esses estados diferem em forma. Os estados de classe I retornam ao estado fundamental por meio de emissão gama. Os estados de classe II impedem isso. Eles são isômeros de forma. A barreira dupla também explica as seções transversais de fissão induzida por nêutrons. Ele estrutura distribuições angulares de fragmentos.
O método de Strutinskii estimulou os cálculos. Tratou efeitos macroscópicos e microscópicos de forma consistente. Os físicos americanos WJ Swiatecki e James R. Nix lideraram esses estudos. Eles mapearam superfícies de energia potencial. Alguns trabalhos até abordaram a evolução dinâmica.
Assimetria e o Ponto de Cissão
Os actinídeos apresentam assimetria na segunda barreira. Divisões de massa assimétricas têm energia mais baixa. As divisões simétricas são favorecidas posteriormente. O potencial único falha em grandes deformações. Ele não consegue lidar bem com dois fragmentos em formação.
Uma descontinuidade ocorre na cisão. Os resultados dependem de tratar o sistema como um ou dois núcleos. Um potencial de dois centros ajuda. Ele usa esferas sobrepostas. Ele corresponde ao comportamento de um centro com pequenas deformações. Corresponde ao comportamento separado em grandes deformações.
Isto sugere a pré-formação de conchas de fragmentos no início. Os modelos de ponto de cisão podem ter suposições duvidosas. No entanto, eles correspondem à observação. O modelo Argonne Scission-Point é fundamental. Ele usa cascas de fragmentos deformados. Inclui interação através de um pescoço. Ele prevê distribuições de massa, carga e energia cinética. Abrange a dependência da emissão de nêutrons. Não prevê a probabilidade de fissão. Ou distribuições angulares.
As correções da casca desaparecem com a energia de excitação. O comportamento macroscópico assume o controle.
Números mágicos impulsionam a fissão simétrica
Férmio-264 sofre fissão simétrica. As energias cinéticas dos fragmentos são excepcionalmente altas. Por que? Estabilidade dos números mágicos. 50 prótons. 82 nêutrons.
Formam-se dois fragmentos de estanho-132. Isso é duplamente mágico. É energeticamente favorecido. A fissão do urânio ou do plutônio em baixa energia não favorece dois desses fragmentos. Apenas um.
Os fragmentos de estanho-132 são esféricos. Não deformado. Configuração compacta na cisão. Centros de carga mais próximos. Resultados de energia cinética mais elevados.
A física é clara. A estrutura é importante. As superfícies energéticas não são lisas. Eles têm poços. E barreiras. E descontinuidades. Ainda estamos mapeando-os.
Os efeitos da casca continuam críticos para o processo de fissão. Isto é verdade quer estejamos olhando para o sistema de fissão no ponto de sela ou para os fragmentos deformados perto do ponto de cisão. Essas propriedades da mecânica quântica ajudam a explicar muitas características observadas. Mas ainda não temos uma resposta clara sobre o estágio exato em que as distribuições dos fragmentos são determinadas.
Os ingredientes para uma compreensão razoável da fissão estão aí. Eles simplesmente ainda não foram sintetizados em uma teoria completa e dinâmica.
A aproximação adiabática
Considere a dinâmica da descida. O sistema se move sobre uma superfície de energia potencial desde o ponto de sela até o ponto de cisão. Uma visão extrema é a aproximação adiabática. Este modelo assume que o movimento coletivo do sistema é lento. Ou talvez o acoplamento entre graus de liberdade coletivos e internos de partícula única seja fraco.
Se isso for verdade, os movimentos rápidos de uma única partícula podem ajustar-se prontamente às mudanças na forma do núcleo em fissão. Ele progride em direção à cisão sem perturbar seu estado interno. As mudanças acontecem sem ganhar ou perder energia térmica.
A diminuição da energia potencial entre os pontos de sela e de cisão aparecerá então principalmente nos graus de liberdade coletivos na cisão e estará associada à energia cinética do movimento relativo dos fragmentos nascentes.
Isso é conhecido como energia cinética de pré-cisão. A energia entra no movimento dos fragmentos à medida que eles se separam.
Transferência de energia não adiabática
O extremo oposto envolve movimentos coletivos mais rápidos. Ou um acoplamento mais forte ao movimento das partículas. Aqui, a energia coletiva se transforma em excitação interna. Isso se torna energia térmica para os núcleons.
Pense nisso como o aquecimento no movimento de um fluido viscoso. O atrito entre as camadas gera calor. Neste processo não adiabático, a mistura entre graus de liberdade de partícula única pode ser completa. Um modelo estatístico pode ser aplicável no ponto de cisão.
O meio-termo
Ambos os extremos são aproximações. Eles representam comportamento complexo simplificado para análise. Evidências experimentais podem apoiar qualquer interpretação dependendo do núcleo específico ou da energia envolvida.
A natureza raramente cabe em caixas binárias. A verdade provavelmente está em algum lugar entre esses extremos. Os mecanismos adiabáticos e não adiabáticos provavelmente desempenham um papel no processo de fissão. A interação entre mudanças de forma macroscópica e ajustes quânticos microscópicos continua sendo uma das questões em aberto na física nuclear. Conhecemos as peças. Só não os encaixamos ainda.
A fissão não acontece apenas uma vez. Ele se espalha. Quando um núcleo se divide, ele cospe nêutrons. Se esses nêutrons atingirem outro átomo físsil, esse átomo também se dividirá. Ele libera mais nêutrons. A cadeia cresce. Ou morre.
A matemática por trás disso é simples, mas letal. Medimos isso com k, o fator de multiplicação. É a proporção de fissões de uma geração para a última.
- Se k for menor que 1, a reação desaparece.
- Se k for igual a 1, você tem um pulso constante. Uma montagem crítica.
- Se k for maior que 1, a corrente explode. Supercrítico.
Uma montagem crítica não é apenas uma bolha de metal. É um sistema cuidadosamente projetado. Você precisa de material físsil, geralmente metal ou óxido. Você precisa de um moderador para desacelerar os nêutrons. Você precisa de um refletor para devolver os nêutrons perdidos ao núcleo, para que eles não escapem.
A física da bomba versus a usina
Numa bomba, a velocidade é tudo. Você quer k o mais alto possível. Você deseja que o tempo entre as etapas seja extremamente pequeno. O objetivo é liberar energia massiva em cerca de 10^-7 segundos.
Considere a escala. Um quilograma de urânio-235 em fissão libera energia equivalente a 20.000 toneladas de TNT. Isso é um assassino de cidades em um único quilograma.
Os reatores são diferentes. Eles não querem explodir. Eles querem cantarolar. Num reator em estado estacionário, k permanece em 1. Mas na prática? Você não pode mantê-lo exatamente em 1. Você o projeta para ficar um pouco acima de 1.
Por quê? Porque as coisas se degradam.
O combustível queima. Isso esgota. Os produtos da fissão se acumulam. Alguns desses subprodutos são “venenos”. Eles comem nêutrons. Eles diminuem k. Se você começar exatamente em 1, o reator será desligado antes de você obter energia útil. Começar um pouco alto permite compensar a perda de combustível e o acúmulo de veneno.
Você também precisa economizar alguns nêutrons. Você pode usá-los para pesquisa ou para criar isótopos radioativos para uso médico e industrial.
As hastes de controle tornam isso possível. Estas são hastes móveis feitas de materiais que absorvem nêutrons, como boro, cádmio ou háfnio. Deslize-os para dentro e k cai. Puxe-os para fora e k sobe.
Mas não é instantâneo. Graças aos emissores de nêutrons retardados entre os produtos da fissão, há um atraso entre as gerações de nêutrons. Este pequeno atraso dá aos operadores humanos e aos sistemas mecânicos tempo para reagir. Sem ele, controlar um reator seria impossível.
Reatores Térmicos, Intermediários e Rápidos
Nem todos os reatores funcionam da mesma maneira. Eles são classificados pela energia dos nêutrons que conduzem a cadeia.
Reatores Térmicos
Estes são os mais comuns. Eles dependem de nêutrons “térmicos”. Estes são nêutrons lentos, movendo-se a velocidades comparáveis às moléculas de gás à temperatura ambiente.
A fissão produz nêutrons rápidos. Energia cinética média acima de 1 MeV. Muito rápido para dividir outros átomos de urânio-235 com eficiência. Você precisa desacelerá-los. Esse é o trabalho do moderador.
Moderadores comuns:
– Água comum
– Água pesada (D2O)
– Grafite
Reatores Intermediários
Estes mantêm a cadeia com nêutrons de energia intermediária. Eles podem usar o berílio como moderador. Menos comum, mas útil em projetos específicos.
Reatores Rápidos
Não é necessário moderador. Aqui, os nêutrons de fissão rápida fazem o trabalho. Eles mantêm a reação em cadeia sem desacelerar. Isto requer diferentes composições e designs de combustível, mas pode ser mais eficiente em termos de utilização de combustível.
Cada tipo precisa de uma maneira de remover o calor. Você não pode deixar um reator secar. Os refrigerantes variam de acordo com o design:
– Água
– Gás
– Metal líquido
A escolha do refrigerante depende das necessidades de pressão, temperatura e estabilidade química.
Além da eletricidade: a utilidade dos produtos de fissão
Uma vez que o reator esteja funcionando e o combustível esteja esgotado, os resíduos não são apenas lixo. É um recurso. Os produtos de fissão criados durante a operação contêm uma grande variedade de isótopos radioativos.
Alguns deles têm vida curta e são perigosos. Outros são estáveis o suficiente para serem colhidos.
Os isótopos médicos são o alvo principal. O tecnécio-99m, usado em diagnóstico por imagem, costuma ser um subproduto da fissão. O iodo-131 trata problemas da tireoide. O estrôncio-90 alimenta marcapassos e rádios remotos.
As aplicações industriais são igualmente vastas. Os radioisótopos são usados em radiografia para inspecionar costuras de soldagem em tubulações. Eles medem a espessura nas linhas de fabricação. Esterilizam equipamentos médicos sem calor, preservando materiais sensíveis.
O “resíduo” de uma perspectiva é a matéria-prima para outra indústria. O mesmo processo que gera energia também gera as ferramentas para a medicina e a indústria modernas.
A distinção entre produção de energia e produção material é artificial. Em um ciclo bem projetado, são duas saídas do mesmo fluxo de nêutrons.
Um reator nuclear é, em sua essência, uma fornalha. Gera vapor ou gases quentes. Essas saídas fazem duas coisas. Eles fornecem calor direto. Ou acionam turbinas para girar geradores de eletricidade.
Esta é a história familiar. As usinas comerciais usam essa tecnologia globalmente. A Marinha o utiliza para impulsionar submarinos e embarcações de superfície. Mas a história só termina aí se você olhar o básico. A verdadeira utilidade destas máquinas vai muito além da rede.
Por que o alto fluxo de nêutrons é importante
Os reatores desempenham um papel crítico na ciência dos materiais. Eles fornecem fluxos intensos de nêutrons. Os cientistas usam isso para estudar como os materiais se comportam sob estresse. Eles o usam para sondar estruturas atômicas. Mas há outra saída aqui. Uma ampla gama de radionuclídeos.
Esses radionuclídeos não são apenas resíduos. Junto com os produtos de fissão, eles encontraram inúmeras aplicações. Você pode encontrá-los em tratamentos médicos. Você pode encontrá-los na radiografia industrial. O reator é uma fábrica de isótopos.
A vantagem da bateria atômica
O calor do decaimento radioativo tem outro truque. Pode ser convertido diretamente em eletricidade. Isto acontece através do efeito termoelétrico em materiais semicondutores. O resultado é uma bateria atômica.
Estas não são como as baterias do seu telefone. Eles são duradouros. Eles dependem de isótopos específicos. Alguns emitem partículas beta. O estrôncio-90 é um exemplo. Promécio-147 é outro. Outros emitem partículas alfa. Plutônio-238 se enquadra nesta categoria. Cúrio-244 também é usado.
Por que usá-los em vez de baterias solares ou químicas? Porque eles funcionam sem luz solar. Eles trabalham em frio extremo. Eles trabalham por décadas sem manutenção.
Onde os colocamos
Isso os torna ideais para lugares que os humanos não conseguem alcançar facilmente. Ou locais onde o reabastecimento é impossível.
Tome marca-passos cardíacos. Os primeiros modelos usavam essas baterias nucleares. Eles sobreviveram ao coração humano. Eles mantiveram os pacientes vivos quando outras fontes de energia falharam.
Eles também são essenciais para instalações remotas não tripuladas. Pense nas sondas espaciais. As missões Voyager usaram fontes de energia de plutônio-238. Os painéis solares não eram uma opção tão longe do sol.
Considere as regiões polares. O Ártico e a Antártica têm invernos longos. A luz solar é escassa. As baterias nucleares mantêm os instrumentos funcionando.
Os mares abertos apresentam desafios semelhantes. As estações de monitoramento em águas profundas precisam de uma fonte de energia que não vaze ou corroa rapidamente. Esses isótopos fornecem estabilidade.
Impacto no mundo real
As aplicações da radioatividade vão além da simples energia. Existem usos práticos para outros radionuclídeos também. Eles ajudam a diagnosticar doenças. Eles esterilizam equipamentos médicos. Eles rastreiam fluxos de fluidos em poços de petróleo.
Quando você olha para um reator nuclear, vê mais do que uma usina. É uma fonte de precisão. É uma ferramenta de descoberta. É um sistema de suporte à vida nos ambientes mais adversos da Terra e além.
A ciência é complexa. As aplicações estão por toda parte. Você só precisa saber onde procurar.
