Video Transcript
Neste vídeo, o nosso tópico é a fissão nuclear. Como veremos, este é um processo em que os núcleos atómicos, os núcleos dos átomos, se dividem em partes menores. A fissão nuclear acontece espontaneamente na natureza. E também ocorre de forma controlada em centrais nucleares para gerar energia.
Para começar a entender como a fissão nuclear acontece, vamos considerar o núcleo de um átomo. Sabemos que os núcleos atómicos são compostos por neutrões, que colorimos aqui a verde e protões que colorimos aqui a azul. É também o caso de que à medida que os núcleos aumentam de tamanho, estes se tornam cada vez menos estáveis. Quando um núcleo atinge um certo nível de instabilidade, este torna-se um candidato à fissão nuclear.
A fissão pode ocorrer de duas maneiras diferentes. Primeiro, pode acontecer espontaneamente. É aqui que um núcleo atómico se torna grande e instável o suficiente para se dividir em duas partes menores. Este é um processo imprevisível porque, para um núcleo que se decompõe, nunca sabemos exatamente quando é que vai acontecer. Isto é conhecido como fissão nuclear espontânea.
Mas há uma segunda maneira na qual a fissão pode ocorrer. Neste processo, um neutrão livre surge e liga-se a um núcleo atómico grande. A adição deste neutrão empurra o núcleo lá da fronteira de uma perspetiva energética. Isto faz com que o núcleo já instável se divida. E muitas vezes, além das partes de protões e neutrões que são libertados desta divisão, neutrões livres também são libertados. Este processo de fissão é conhecido como fissão nuclear induzida. É assim designado porque podemos dizer que o neutrão que entra induziu a divisão. E vimos que esta divisão ocorreu quando este núcleo atómico em particular recebeu o neutrão.
É bem possível, porém, que haja mais do que um destes núcleos atómicos no ambiente. Por exemplo, digamos que haja outro núcleo aqui que tenha o mesmo número de protões e neutrões que este original. Isso significa que este neutrão que foi libertado do processo de fissão original, se continuar a mover-se numa linha como esta, fixar-se-á no segundo núcleo. E a seguir, este núcleo experimentará fissão nuclear induzida, sendo dividido em duas partes maiores e libertando também alguns neutrões livres.
E, em seguida, podemos ver que se qualquer um destes neutrões atingir outro núcleo atómico, o processo continuará. Quando isto acontece, quando um evento de fissão leva a outro que leva a outro que leva a outro e assim por diante, geramos o que é designado por reação em cadeia. Vimos uma imagem de tal reação no ecrã de abertura. E este é o tipo de reação que ocorre de uma forma cuidadosamente controlada numa instalação de reator nuclear.
Para que ocorra a fissão nuclear induzida, e para que este evento produza uma reação em cadeia, são necessários núcleos atómicos muito específicos. Um dos isótopos nucleares mais comuns utilizados para a fissão é o urânio, representado pela letra U maiúscula e o seu isótopo 235. Este número, chamado de número de massa de um núcleo, refere-se a quantos protões contém mais quantos neutrões contém. Portanto, o urânio — que é o elemento atómico número 92, o que significa que tem 92 protões no seu núcleo — pode ser chamado isótopo de urânio-235 quando também tem 143 neutrões no seu núcleo. E este isótopo de urânio em particular é o principal candidato para a fissão nuclear.
Uma maneira de indicar o acontecimento da fissão é utilizar um esboço como o que temos aqui. Mas outra maneira é escrever o que é designado por equação nuclear. Numa equação nuclear, temos o que chamamos de reagentes no primeiro membro e os produtos no segundo membro. Para ver um exemplo disto, vamos escrever uma equação nuclear para a fissão do urânio-235. Uma coisa a ter-se em mente, porém, é que quando este isótopo passa por fissão, os produtos, os elementos que encontraremos no primeiro membro desta equação, nem sempre são os mesmos. Dito isto, existem alguns produtos razoavelmente padronizados desta reação que podemos registar.
Agora, no nosso esboço, vimos que começámos com um núcleo atómico e, em seguida, um neutrão foi adicionado a este núcleo para levar à fissão induzida. Então, na nossa equação nuclear, no membro dos reagentes, vamos adicionar um neutrão ao urânio-235. Isto representará matematicamente a colisão de um neutrão livre com este isótopo atómico. Quando um neutrão é adicionado ao urânio-235, este torna-se instável e decompõe-se.
Um produto comum desta reação é o bário, bário-144, junto com o crípton, crípton-89. Em conjunto com estes isótopos, esta reação de fissão produz frequentemente vários neutrões. Sabemos que este é o símbolo de um único neutrão. E a seguir, o número pelo qual multiplicamos este símbolo indica o número total de neutrões produzidos. Um facto importante sobre as equações nucleares é que estas estão sempre equilibradas. Isso significa que se contarmos o número de protões e o número de neutrões num membro da equação, então estes valores serão iguais ao número de protões e neutrões, respetivamente, no outro membro.
Outra maneira de dizer isto é que o número atómico total à esquerda é igual ao número atómico total à direita e o número total de massa à esquerda é igual ao número total de massa à direita. Isto é sempre o caso de uma equação nuclear escrita corretamente. Vamos verificar esta equação para ver se segue esta regra.
Começando com o número atómico, no primeiro membro, temos um número atómico 92 e zero. Portanto, o nosso total é 92. Em seguida, à direita, temos um número atómico de 56 e um de 36. Observe que os nossos três neutrões, porque os seus números atómicos são zero, não contribuem para esta soma. Se pegarmos em 56 e somarmos 36, obteremos um resultado de 92, o que significa que temos o mesmo número atómico total à esquerda que temos à direita.
Podemos seguir um processo semelhante para o número de massa, o número escrito no canto superior esquerdo destes símbolos. No primeiro membro da nossa equação, o número de massa total é 235 mais um, ou 236. E a seguir, no segundo membro, temos 144 mais 89 mais três vezes um. A razão pela qual multiplicamos um por três neste último termo é porque cada neutrão individual contribui com um número de massa e há três deles, então três vezes um. Se somarmos 144, 89 e três vezes um, obtemos um resultado de 236, que corresponde ao valor que obtivemos no primeiro membro. Vemos então que esta equação nuclear está equilibrada; os números atómicos e os números de massa à esquerda são iguais aos números atómicos e os números de massa à direita.
Agora, se estes três produtos, bário, crípton e alguns neutrões, fossem os únicos produtos desta reação de fissão, então a fissão seria muito menos útil para nós do que é. Mas, na verdade, há outro produto, não um que contribua com qualquer número atómico ou número de massa, mas um produto importante, no entanto. Energia também é libertada no processo de fissão. Portanto, se imaginarmos uma reação em cadeia do urânio-235, cada um destes eventos de fissão que ocorrerem libertará alguma energia. E à medida que a reação cresce e se multiplica, mais e mais energia será libertada.
Capturar esta energia libertada em uma reação em cadeia de fissão nuclear e convertê-la numa forma útil é a ideia básica por trás de uma central nuclear. As centrais nucleares ou centrais de energia utilizam o processo de fissão nuclear induzida. Tudo isto ocorre numa câmara chamada reator de fissão nuclear. Dentro destas câmaras existem barras chamadas barras de combustível. Estas barras são feitas de qualquer material que passará por fissão atómica; muitas vezes é urânio-235 ou por vezes é um isótopo de plutónio, plutónio-239.
Seja qual for a composição das barras de combustível, estas respondem aos neutrões que chegam decompondo-se e libertando energia. Mas há uma condição necessária para que isto aconteça, para que o neutrão que entra realmente se una ao material físsil. Para que isto aconteça, o neutrão precisa de se mover bem devagar. Caso contrário, passará pelo núcleo e não será capturado. A fim de desacelerar neutrões no núcleo do reator o suficiente para que sejam capazes de se unir ao material físsil, uma substância chamada moderador é inserida no núcleo do reator.
A água é um material moderador bastante comum. E o seu trabalho é desacelerar os neutrões no núcleo do reator o suficiente para que sejam capazes de se unir aos núcleos que se decomporão, que passarão por fissão. Portanto, quando o núcleo do nosso reator tem barras de combustível, neutrões livres e um material moderador, uma reação em cadeia pode começar.
Mas vamos pensar nesta reação em cadeia por um momento. Olhando para a nossa equação nuclear, vemos que um neutrão e um núcleo de urânio-235 são necessários para produzir um evento de fissão. Mas então, é possível que este evento produza três neutrões livres. E cada um destes três neutrões livres pode correr para outro isótopo de urânio-235 noutro lugar do núcleo do reator.
Poderíamos pensar desta maneira. Primeiro, temos um evento de fissão, o nosso primeiro neutrão a correr no nosso primeiro isótopo de urânio-235. Mas a seguir, se cada um dos três neutrões produzidos lá também levar a uma fissão, então passamos de um para três eventos de fissão. E se cada um destes três eventos de fissão também produzir três neutrões livres, que também levam a mais três eventos de fissão cada, então teremos nove núcleos de urânio a decompor-se. E se cada um destes produzir três neutrões livres, o que também leva à fusão [fissão], então subimos para 27.
O que estamos a ver então não é apenas uma reação em cadeia, mas uma reação em cadeia crescente, com uma taxa crescente. Isto é bom até certo ponto. Mas, para lá deste ponto, isto pode realmente ser perigoso se a nossa taxa de reação ficar muito elevada. Lembre-se de que cada um destes eventos de fissão liberta alguma quantidade de energia. E se o número de eventos que ocorrem ficar fora de controlo, o mesmo acontecerá com a energia gerada. Isso pode levar a uma condição perigosa para o nosso reator nuclear. A fim de se proteger contra isso, para controlar a taxa da nossa reação em cadeia, todos os reatores nucleares são equipados com as chamadas vigas de controlo.
O trabalho das vigas de controlo é absorver neutrões livres no núcleo do reator e assim diminuir a taxa de reação. A ideia é que se os neutrões livres forem retirados da equação, então não há nada para induzir a fissão no urânio-235 que está nas barras de combustível. As vigas de controle existem numa plataforma móvel que pode ser movida para dentro ou para fora do núcleo do reator. Quanto mais para dentro do núcleo as vigas de controlo são empurradas, mais neutrões absorvem e mais lenta se torna a taxa de reação. Por outro lado, se uma taxa de reação mais alta for desejada, então o conjunto de vigas de controlo pode ser retirado deste núcleo. Em relação ao material de que as vigas de controlo são feitas, muitas vezes são feitas do elemento boro. O boro é eficaz na absorção de neutrões livres.
Agora, numa central de energia nuclear, cada evento de fissão produz alguma quantidade de energia. O efeito da energia gerada no núcleo do reator é aquecer a água no núcleo. Esta água aquecida tem um caminho para escapar do núcleo. E às vezes, dependendo da construção do reator, esta água quente passa por um segundo fluxo de água isolado. Quando estas duas correntes passam uma pela outra e entram em contato térmico, a água quente do núcleo fornece energia térmica para a água fria que passa na outra direção e, assim, aquece esta outra água enquanto se arrefece.
A água que é aquecida nesta troca vai produzir vapor, que é utilizado para girar turbinas, que produzem eletricidade. Desta forma, a energia térmica gerada a partir da fissão nuclear é trocada de um fluxo de água para outro e, em seguida, utilizada para produzir vapor que leva à produção de energia elétrica. Neste núcleo do reator, a água não é apenas o material moderador que desacelera os neutrões para que a fissão ocorra, mas também funciona como um refrigerante, absorvendo a energia térmica produzida no núcleo do reator e removendo-a daquele ambiente.
Em termos gerais, é assim que funciona um reator de fissão nuclear. Vamos resumir agora o que aprendemos sobre a fissão nuclear.
Começando, vimos que a fissão nuclear, às vezes chamada de fissão abreviadamente, é o processo de um núcleo atómico instável a decompor-se em partes menores. A fissão pode ser espontânea ou induzida. A fissão espontânea ocorre quando um núcleo atómico se decompõe de forma imprevisível. E a fissão induzida é quando um neutrão livre colide com um núcleo e o faz decompor-se.
A fissão induzida, como vimos, pode criar uma reação em cadeia que liberta energia. E também aprendemos que os eventos de fissão podem ser descritos utilizando o que é designado por equação nuclear. Estas equações mostram os reagentes no primeiro membro e os produtos no segundo membro.
E, por último, vimos o funcionamento básico de um núcleo de reator nuclear. Vimos que o núcleo inclui barras de combustível que fornecem o material físsil, uma substância chamada moderador, geralmente água, que é utilizada para desacelerar os neutrões livres que se movem à volta do núcleo. E também há vigas de controlo, geralmente feitas de boro, que são utilizadas para desacelerar a taxa de reação. Junto com isto, vimos que os núcleos do reator nuclear requerem um material refrigerante, algo que transportará a energia térmica gerada nas reações nucleares para fora do núcleo. Isto é um resumo da fissão nuclear.
