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Fusão e Fissão Nuclear: uma breve introdução Reginaldo A. Zara CCET-Unioeste Unioeste, 14/12/2007.

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1 Fusão e Fissão Nuclear: uma breve introdução Reginaldo A. Zara CCET-Unioeste Unioeste, 14/12/2007.

2 FUSÃO E FISSÃO NUCLEAR Como podem os prótons ficar confinados em uma região tão pequena como é o núcleo do átomo, sendo que existe uma forte repulsão eletrostática entre eles? Os prótons e nêutrons do núcleo do átomo são ligados por uma energia enorme – força nuclear forte

3 Força nuclear forte – força de curtíssimo alcance, mas que, dentro do seu raio de ação, é muito mais intensa que a gravitacional e a eletromagnética. Quando um nêutron atinge o átomo, a ligação se rompe, o núcleo se divide, libera partículas e energia Nas reações que envolvem núcleos, as transformações de massa em energia e vice-versa estão sempre presentes. Assim, nestas reações, é de uso fundamental a equação de Einstein.

4 Fusão: Uma breve introdução  A fusão nuclear  dois ou mais núcleos atômicos se juntam, formando um outro núcleo maior;  É necessária muita energia cinética, que permita vencer a repulsão dos núcleos e haja o contato e a iteração entre eles;  A energia liberada depois da fusão é geralmente muito maior que a energia consumida;  A fusão ocorre mais facilmente entre núcleos que têm um pequeno número de prótons;

5 Reações de fusão - A principal reação de fusão que ocorre no interior do Sol. A reação que ocorre mais facilmente é aquela em que o deutério se funde com o trício (ou trítio) produzindo uma partícula alfa (núcleo de hélio 4) e um nêutron, conforme a reação 3 abaixo. D2 + D2  (He3 + 0,82 MeV) + (n1 + 2,45 MeV) D2 + D2  (T3 + 1,01 MeV) + (H1 + 3,03 MeV) D2 + T3  (He4 + 3,52 MeV) + (n + 14,06 MeV) D2 + He3  (He4 + 3,67 MeV) + (H1 + 14,67MeV)

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7 Aparelho que consegue suportar essas temperaturas mantendo um delgado filete de plasma, longe das paredes, durante um curto intervalo de tempo e usando a técnica do confinamento magnético.

8 Fissão nuclear  quebra ou divisão de um núcleo atômico, instável e pesado, através de um bombardeamento do núcleo com nêutrons lentos; Poucos átomos podem sofrer o processo de fissão nuclear, entre eles, o urânio-235 e o plutônio; A energia obtida através da fissão nuclear é devida à transformação da matéria em energia; Geração de energia elétrica em países como Japão, França, USA, China, Brasil e outros; Fissão: Uma breve introdução

9 Fissão Nuclear

10 Fusão Nuclear x Fissão Nuclear Vantagens O processo mais limpo que a fissão  usa núcleos atômicos leves (Trítio e Deutério, isótopos do Hidrogênio); Os lixos radioativos possuem vidas curtas; A quantidade de energia liberada é muito maior na fusão que na fissão; Desvantagens Não se consegue controlar a fusão de um modo eficaz; Ocorre em temperaturas elevadíssimas (milhões de graus centígrados). É necessário o confinamento dos núcleos por pelo menos um segundo (câmaras magnéticas em formato toroidal  “tokamak”;

11 Urânio Natural  (0.7% 235 U, 99.3% 238 U)

12 O número de núcleos que capturam nêutrons e sofrem fissão tem de ser, em média, igual ao dos nêutrons resultantes desses processos que vão ser depois capturados e induzir fissão Condição necessária para a sustentabilidade da reação: O número de núcleos que capturam nêutrons e sofrem fissão tem de ser, em média, igual ao dos nêutrons resultantes desses processos que vão ser depois capturados e induzir fissão Consequentemente: o factor de multiplicação (razão entre on número de nêutrons de uma geração e o correspondente número da geração seguinte) deve ser UM O número de núcleos que capturam nêutrons e sofrem fissão tem de ser, em média, igual ao dos nêutrons resultantes desses processos que vão ser depois capturados e induzir fissão Condição necessária para a sustentabilidade da reação: O número de núcleos que capturam nêutrons e sofrem fissão tem de ser, em média, igual ao dos nêutrons resultantes desses processos que vão ser depois capturados e induzir fissão Consequentemente: o factor de multiplicação (razão entre on número de nêutrons de uma geração e o correspondente número da geração seguinte) deve ser UM Reação em cadeia / Sustentabilidade

13 História (cíclica) de 100 nêutrons numa reação em cadeia  100 nêutrons lentos são capturados por U 235 a causam fissão Resultam 200 nêutrons 40 escapam durante a termalização 20 são capturados pelo U 238 durante a termalização  140 que atingem velocidades baixas (lentos/térmicos  2200 m/s) 10 escapam como nêutrons lentos ou térmicos  130 nêutrons disponíveis para absorção térmica: 30 são absorvidos (moderador, U 238, contaminantes, etc.) 100 nêutrons lentos são capturados por U 235 a causam fissão História (cíclica) de 100 nêutrons numa reação em cadeia  100 nêutrons lentos são capturados por U 235 a causam fissão Resultam 200 nêutrons 40 escapam durante a termalização 20 são capturados pelo U 238 durante a termalização  140 que atingem velocidades baixas (lentos/térmicos  2200 m/s) 10 escapam como nêutrons lentos ou térmicos  130 nêutrons disponíveis para absorção térmica: 30 são absorvidos (moderador, U 238, contaminantes, etc.) 100 nêutrons lentos são capturados por U 235 a causam fissão Reação em cadeia / Sustentabilidade

14  Converte-se o óxido de urânio num gás,o UF 6, hexafluoreto de U.  Separação por difusão e/ou centrifugação permite ENRIQUECER a parcela de isótopo 235 até aos 3 - 4% (maior eficiência; possibilita moderação dos nêutrons com água)  O UF 6 é de novo convertido em UO 2 e formam-se as “pellets” que são introduzidas em tubos metálicos que vão constituir as “barras de combustível” do núcleo do reator.  Uma vez consumido o combustível, as barras são removidas para re-processamento ou para armazenamento de médio ou longo prazo. O “ciclo” do combustível nuclear

15 Reator nuclear

16 Controle da Fissão nos Reatores A reação acontece dentro de varetas que compõem o elemento combustível. Dentro dele há também barras de controle - feitas de material que absorve nêutrons, controlando o processo. Quando as barras "entram totalmente" no elemento combustível, o reator pára; quando saem, ele é ativado.

17 Num reator nuclear, a reação em cadeia é controlada com o uso de barras de substâncias moderadoras, como, por exemplo, a grafite. Urânio enriquecido  3% a 4%. Reação não controlada  Explosão. Bomba Atômica Urânio enriquecido  90%.

18 Energia nuclear e o aquecimento global Das fontes mais utilizadas de energia, apenas três não contribuem com a emissão de gases que causam o efeito estufa: Eólica Solar Nuclear

19 Energia eólica: como o vento não pode ser represado, é uma energia imprevisível, vulnerável a oscilações climáticas; Energia solar: necessita de grandes extensões para a produção de pouca energia, e só faz sentido em locais com forte incidência de luz solar; Energia nuclear: Com controle rígido dos reatores, a energia atômica e ecológica já é uma realidade

20 ENERGIA NUCLEAR NO MUNDO (percentual)

21 O Lado Bom

22 Energia Liberada A fissão completa de 1kg de 235 U libera aproximadamente 8 x joules, suficiente para ferver 270 milhões de litros de água.

23 O Lado Ruim Em Chernobyl, em 1986, reator explodiu durante operação de manutenção dos equipamentos da usina.

24 O Lado Ruim Bomba A- 1945

25 Um Grande Problema O LIXO ATÔMICO

26 Medindo a Radioatividade Contador de Geiger-Müller A radiação entra no tubo e produz ionização das moléculas gasosas, gerando uma corrente elétrica, cuja intensidade é registrada.

27 A Radioatividade do Cotidiano Alimentos: 25 mrem (*) por ano (*) mrem = 1/1000 rem rem é uma unidade de dose de radiação ionizante que produz o mesmo efeito biológico de uma unidade de dose de raios-X

28 A Radioatividade do Cotidiano Radiografia dentária: 20 mrem cada Energia solar: 11 mrem por ano

29 A Radioatividade do Cotidiano Área num raio de 1 km de uma usina nuclear: 5 mrem por ano

30 Irradiação e Contaminação Irradiação é a exposição de um objeto ou um corpo à radiação, o que pode ocorrer à distância, sem necessidade de contato. Irradiar não significa contaminar.

31 Irradiação e Contaminação Contaminação, radioativa ou não, caracteriza-se pela presença indesejável de um material em local onde não deveria estar. No caso de materiais radioativos, a contaminação gera irradiações. Para descontaminar um local, retira-se o material contaminante. IRRADIAÇÃO NÃO CONTAMINA, MAS CONTAMINAÇÃO IRRADIA.

32 Por que a radiação provoca danos biológicos? Quando exposta à radiação a molécula de água, presente no líquido puro ou fazendo parte dos tecidos vivos, absorve energia e forma radicais livres.

33 Aplicações da Radioatividade Alimentos Irradiados

34 Aplicações da Radioatividade Radioterapia

35 Aplicações da Radioatividade Datação radioativa

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