A fissão nuclear não apenas fornece a maior parte da eletricidade que alimenta nossas casas, mas também provou o quanto destrutivo o poder dentro do átomo pode ser

Uma ilustração da fissão nuclear no nível atômico mostrando núcleos atômicos sendo separados. Crédito da imagem: marty8801/Getty Images

A fissão nuclear é o processo de quebrar grandes núcleos atômicos em núcleos atômicos menores para liberar uma grande quantidade de energia. 

Esse processo geralmente é feito forçando os núcleos a absorver nêutrons, a partícula geralmente encontrada no núcleo atômico com prótons. O fenômeno foi aproveitado pela humanidade para fornecer energia através de usinas nucleares, mas também para alimentar armas nucleares.

A fissão é uma forma de transmutação nuclear, o que significa que os átomos iniciais não são os mesmos elementos que os átomos resultantes, ou filhos, do produto. O processo de fissão pode ocorrer espontaneamente como um tipo de decaimento radioativo, mas isso é raro, incrivelmente lento e restrito a elementos químicos muito pesados. 

Fissão Nuclear

A fissão nuclear é o processo de divisão de núcleos atômicos em núcleos menores, liberando grandes quantidades de energia como resultado. A fissão nuclear pode ajudar a humanidade a suprir suas necessidades energéticas quando as reações em cadeia são controladas em reatores. A energia nuclear agora fornece cerca de 85% da eletricidade que usamos. 

Quando este processo pode ser executado sem controle, no entanto, dá origem a uma força poderosa e destrutiva. A detonação das chamadas 'bombas atômicas' é representada pela imagem de uma nuvem em forma de cogumelo, uma terrível lembrança do poder do átomo e da própria fissão.

QUANDO FOI DESCOBERTA A FISSÃO NUCLEAR?

A descoberta da fissão induzida não teria sido possível sem os avanços feitos por Ernest Rutherford e Niels Bohr em direção a uma imagem coerente do átomo durante a década de 1910.

Isso levou à descoberta por Henri Becquerel, Marie Curie, Pierre Curie e Rutherford de que os átomos dos elementos poderiam 'decair' e se transmutar em outro elemento através da emissão de uma partícula alfa.

Dois anos após a descoberta do nêutron em 1932 por James Chadwick, Enrico Fermi e seus colegas em Roma começaram a bombardear essas partículas recém-descobertas no urânio, com outros físicos também chegando à conclusão de que a partícula seria uma boa análise de pesquisa do núcleo atômico. 

Em 1933, o físico húngaro Leó Szilárd formalizou pela primeira vez a ideia de que a fissão de átomos pesados por nêutrons poderia ser usada para criar uma reação em cadeia nuclear que gerasse energia usando prótons para dividir o lítio, no ano anterior.

Finalmente, em dezembro de 1938, os físicos Lise Meitner e Otto Frisch perceberam que os isótopos de bário que apareceram misteriosamente durante os experimentos de bombardeio de nêutron-urânio conduzidos pelo colega Otto Hann eram o resultado da fissão dos núcleos de urânio.

Uma ilustração de como a fissão funciona, mostrando o núcleo de urânio 235 se dividindo em fragmentos e criando novos núcleos. Crédito da imagem: Dorling Kindersley/Getty Images

COMO A FISSÃO NUCLEAR PRODUZ ENERGIA?

A fissão nuclear induzida ocorre quando uma partícula, geralmente um nêutron, passa por um grande núcleo atômico alvo e é capturada por ele. Em reatores nucleares, este é um isótopo, um átomo com uma contagem de nêutrons diferente em seu núcleo dos elementos pesados, urânio ou plutônio. 

A energia necessária para iniciar a fissão é de cerca de 7 a 8 milhões de elétron-volts (MeV), e quando um nêutron carregando esse nível de energia ou mais atinge o núcleo alvo, a energia que ele transmite deforma o núcleo em uma forma de amendoim de lóbulo duplo.

A lacuna entre os lóbulos criados pela captura de nêutrons eventualmente excede o ponto em que a força nuclear forte, que une prótons e nêutrons no núcleo atômico e é poderosa apenas em intervalos tremendamente pequenos, pode mantê-los juntos.

Como resultado, o núcleo se rompe em fragmentos menores, geralmente cerca de metade da massa da partícula inicial, liberando também pelo menos dois, às vezes três, nêutrons. 

As partículas filhas são rapidamente separadas como resultado de suas cargas positivas se repelindo. Os nêutrons liberados viajando a uma velocidade de cerca de 10 milhões de metros por segundo (33 milhões de pés por segundo, ou cerca de três por cento da velocidade da luz) atingem mais dois núcleos, fazendo com que eles se separem e liberem quatro nêutrons. Esses nêutrons são então ejetados, atingindo outros núcleos.

Isso leva a uma reação em cadeia de núcleos divididos, produzindo uma duplicação das reações de fissão cada vez que um núcleo é dividido. Isso significa que na décima 'geração' há 1.024 fissões e na geração 80 há 6 x 10²³ reações de fissão.

Uma ilustração da reação em cadeia subjacente à fissão nuclear. Crédito da imagem: Peter Hermes Furian/Getty Images

A razão pela qual esse processo libera energia está relacionada à descoberta de Albert Einstein de que massa e energia são intercambiáveis. Em sua forma mais simples, isso é encapsulado pela equação mais famosa do mundo: Energia é igual a massa vezes a velocidade da luz ao quadrado ou e=mc². 

Quando um material físsil absorve um nêutron e se desfaz, a massa que entra na reação é ligeiramente maior do que a massa que sai dela. A diferença de massa entre a partícula inicial e suas partículas filhas é pequena, cerca de 0,1% da massa original. 

É aí que o termo c² se torna importante, pois nos diz que mesmo uma pequena quantidade de massa libera muita energia. 

Cerca de 85% dessa energia liberada nas reações de fissão é liberada como energia cinética concedida aos núcleos-filhos. Essa energia é então convertida em calor. O restante da energia é transferida como energia cinética para os nêutrons liberados ou levado pela radiação de alta energia na forma de raios gama.

Os produtos filhos precisos criados na fissão não podem ser previstos com precisão, pois o processo está sujeito a um alto grau de eventualidade e variação. Na verdade, tanto que não há garantias firmes de que a captura de um nêutron acontecerá ou que isso levará até mesmo à fissão. 

Uma coisa certa é que o número de prótons e nêutrons que entra no processo será preservado no resultado final. 

Uma reação comum em reatores nucleares é a captura de um nêutron pelo urânio-235, que cria dois nêutrons-filhos e núcleos atômicos de bário-144 e criptônio-90. Essa reação libera cerca de 200 megaelétron-volts (MeV), o que equivale a apenas 0,000000000032 Joules.

São esses nêutrons criados que são responsáveis por tornar a fissão um mecanismo viável de geração de energia. Mas isso tem que ser rigorosamente controlado.

REAÇÕES EM CADEIA E MASSA CRÍTICA

Nem todos os nêutrons criados na fissão estão disponíveis para gerar reações adicionais, pois alguns podem ser perdidos à medida que a fissão prossegue. Se nêutrons suficientes podem ser mantidos, no entanto, a reação de fissão torna-se auto-sustentável com este ponto descrito como 'massa crítica'.

Este ponto de massa crítica autossustentável na fissão nuclear é determinado por vários fatores dentro do próprio material físsil, incluindo sua composição, sua densidade, quão puro é e até mesmo a forma física em que está organizado.

Descobriu-se que as esferas minimizam a perda de nêutrons que pode impedir que a massa crítica seja alcançada, que também pode ser reduzida cercando o material físsil com um 'refletor de nêutrons' que devolve quaisquer nêutrons perdidos. 

Um dos aspectos-chave para tornar a fissão segura é controlar a reação em cadeia e a taxa de fissão. Se menos de um nêutron de uma reação de fissão causar uma reação adicional, isso pode levar a fissão a ficar fora de controle e eventualmente levar a uma explosão. 

Isso significa limitar o número de nêutrons disponíveis para criar mais reações de fissão. Em muitos reatores, isso é feito pela introdução de material que pode “absorver” nêutrons, permitindo que a reação em cadeia seja sustentada e ao mesmo tempo evitando que a fissão fique fora de controle.

'Barras de controle' compostas de boro ou cádmio, elementos que são fortes absorvedores de nêutrons, ou uma mistura de ambos são um mecanismo comum para controlar os níveis de potência em reatores de fissão. A potência pode ser aumentada retirando ligeiramente as hastes de controle e permitindo que os nêutrons conduzam as reações. Quando o nível de potência desejado é alcançado, as hastes de controle podem ser reinseridas para estabilizar as reações. 

Em alguns reatores, a água infundida com boro é usada como fluido refrigerador com sua concentração reduzida como subprodutos de absorção de nêutrons criados pela fissão.

Um núcleo de reator de fissão nuclear, contendo o urânio, combustível no fundo da piscina na usina nuclear de Civaux, no centro da França, em 25 de abril de 2016, durante uma visita de controle. Crédito da imagem: Guillaume Souvant/Getty Images

A água também pode ser usada para retirar a energia dos nêutrons rápidos liberados com muita energia cinética. Isso torna esses nêutrons mais propensos a desencadear a fissão ou serem absorvidos por hastes de controle.

Os nêutrons atrasados, criados a qualquer momento após a fissão, variando de alguns milissegundos a minutos, também são importantes para evitar que as reações em cadeia fiquem fora de controle. 

Produzidos em pequenas quantidades, os nêutrons atrasados têm menos energia do que os 'nêutrons imediatos' emitidos imediatamente, e sem eles a reação em cadeia de fissão seria desequilibrada, levando a um aumento ou queda virtualmente instantânea e incontrolável na população de nêutrons.

As bombas atômicas são alimentadas por uma massa de núcleos de fissão montados instantaneamente e mantidos juntos por cerca de um milionésimo de segundo. Isso permite que a reação em cadeia se espalhe rapidamente pelo material físsil, mostrando o que acontece quando as reações em cadeia não são controladas.

Uma nuvem de cogumelo resultante de um teste nuclear da Marinha dos EUA no Atol de Bikini, nas Ilhas Marshall. Crédito da imagem: FPG/Getty Images

A FISSÃO NUCLEAR É SEGURA?

Depois que o mundo testemunhou a detonação de bombas atômicas e a destruição e perda de vidas que elas provocaram nos bombardeios de Hiroshima e Nagasaki em agosto de 1945, não é de admirar que o público em geral esteja desconfiado da energia nuclear. 

Apesar dos exemplos proeminentes e famosos de acidentes de fissão nuclear ao longo da história, como os de Three Mile Island, Chernobyl e Fukushima, essa fonte de energia está mais segura do que nunca. 

Em 2022, o Our World in Data informou que para cada terawatt-hora de energia gerada pela fissão, há apenas 0,07 mortes, em comparação com 32,7 mortes para a mesma quantidade de energia gerada por combustíveis fósseis. 

Mesmo esses acidentes infames podem ter custado menos vidas do que sua terrível mancha na história faria a maioria de nós acreditar.

A Associação Nuclear Mundial diz que o acidente de Fukushima em 2011, causado quando um terremoto de magnitude 9 desencadeou um tsunami de 15 metros que desativou o fornecimento de energia e os mecanismos de resfriamento da usina, custou zero vidas como resultado de vazamentos de material radioativo.

Da mesma forma, de acordo com a Associação Nuclear Mundial, o acidente de Three Mile Island em 1979, na Pensilvânia, não causou mortes como resultado do vazamento de gás radioativo causado por um mau funcionamento do resfriamento.

Indiscutivelmente, o acidente nuclear mais famoso do mundo ocorreu na Usina Nuclear de Chernobyl, perto da cidade de Pripyat, na Ucrânia, em 1986, como resultado de um projeto de reator falho que foi operado por pessoal treinado inadequadamente. 

Isso resultou em dois trabalhadores mortos em uma explosão e mais 28 pessoas morrendo dentro de semanas após o acidente. A Associação Nuclear Mundial também atribui mais de 5.000 casos de câncer de tireoide, incluindo 15 mortes, ao acidente. Até hoje, uma zona de exclusão desabitada de 2.600 quilômetros quadrados (1.000 milhas quadradas) permanece ao redor da antiga fábrica.

O abrigo New Safe Confinement sobre os restos do reator 4 e o antigo sarcófago na usina nuclear de Chernobyl. Crédito da imagem: German Meyer/Getty Images

Uma das razões para a impressionante segurança das atuais usinas de fissão é que acidentes de alto nível como os listados acima levaram ao desenvolvimento de projetos aprimorados e recursos de segurança. 

A iteração atual de plantas de fissão são reatores Geração III. Estes são notáveis por vários recursos, particularmente uma possibilidade reduzida de acidentes de fusão do núcleo. 

Muitos recursos de segurança são inerentes aos projetos desses reatores, por exemplo, reatores de nêutrons rápidos operam usando um sistema que diminui à medida que a temperatura aumenta.

Uma torre de resfriamento nuclear ao pôr do sol. Crédito da imagem: Romilly Lockyer/Getty Images

E OS RESÍDUOS NUCLEARES?

Um mito comum sobre a energia nuclear é que o 'lixo nuclear', os subprodutos radioativos dos processos de fissão, dura para sempre.

Embora não haja dúvidas de que o armazenamento e descarte seguros de subprodutos de fissão são uma preocupação, grande parte desse material é realmente reciclável e tem sido gerenciado de forma responsável desde o início da energia nuclear civil. 

A Associação Nuclear Mundial (WNA) diz que os reatores de fissão criam uma pequena quantidade de resíduos que vem em três tipos, classificados com base em seu nível de radioatividade, de baixo, intermediário e alto nível.

A organização acrescenta que 90% dos resíduos de fissão se enquadram na primeira categoria de baixa radioatividade. Os resíduos nucleares de alto nível representam 3% do total de resíduos, mas liberam 95% da radioatividade dos resíduos cindíveis.

Apesar da imagem de lixo nuclear perigoso popularizada pelos "Os Simpsons" e outros itens básicos da cultura pop, esse lixo não é um lodo verde brilhante. Em vez disso, a maior parte disso é 'combustível gasto' na forma de hastes de metal contendo pastilhas cerâmicas de urânio enriquecido.

O combustível nuclear usado pode ser reciclado para criar novos combustíveis e subprodutos, com o Escritório de Energia Nuclear sugerindo que ele retém 90% de sua energia potencial mesmo meia década após o uso em um reator.

Atualmente, enquanto países como a França reciclam combustível nuclear usado, os Estados Unidos não fazem isso, embora existam planos em andamento para reatores que possam operar com combustível irradiado. 

Nos Estados Unidos, as barras de combustível usadas são colocadas em piscinas de concreto revestidas de aço ou em recipientes de aço e concreto e, em seguida, armazenadas em 76 locais de reatores diferentes em 34 estados. Este combustível usado fica no aguardo por uma solução de descarte permanente. 

♦ Todos os artigos baseados em tópicos são determinados por verificadores de fatos como corretos e relevantes no momento da publicação. Texto e imagens podem ser alterados, removidos ou adicionados como uma decisão editorial para manter as informações atualizadas.

LEITURA ADICIONAL

• A humanidade nunca deve esquecer o potencial de destruição apresentado pela fissão nuclear. O padre John A. Siemes, professor de filosofia moderna na Universidade Católica de Tóquio, dá um relato de testemunha ocular da detonação de uma bomba atômica sobre Hiroshima. 
• O último bóson do modelo padrão a ser descoberto, o bóson de Higgs, determina como outras partículas obtêm sua massa.

BIBLIOGRAFIA

• "Fissão Nuclear: Noções Básicas" Arquivo Atômico (2022). 
• "Fissão nuclear" Britannica (2022).
• "Elementos físseis: oferta e demanda" MIT (2022). 
• "Física do Urânio e Energia Nuclear". Associação Nuclear Mundial (2022). 
• "Física e Cinética de Reatores TRIGA" AIEA (2022).
• "Acidente de Fukushima Daiichi" Associação Nuclear Mundial (2022).
• "Acidente de Three Mile Island" Associação Nuclear Mundial (2022).
• "Acidente de Chernobyl 1986" Associação Nuclear Mundial (2022).
• "O que é lixo nuclear e o que fazemos com ele? Associação Nuclear Mundial (2022). 
• "5 fatos rápidos sobre o combustível nuclear gasto" Escritório de Energia Nuclear (2022).
• "Energia Nuclear" Nosso mundo em dados (2022). 
• "Este mês na história da física" APS Física (2007).

Junte-se aos nossos Canais Espaciais para continuar falando sobre o espaço nas últimas missões, céu noturno e muito mais! Siga-nos no facebook, twitter e instagram. Inscreva-se no boletim informativo. E se você tiver uma dica, correção ou comentário, informe-nos aqui ou pelo e-mail: gaiaciencia@gaiaciencia.com.br

Referência:

LEA, Robert. What is nuclear fission? Space, Nova York, 12, set. 2022. References. Disponível em: <https://www.space.com/what-is-nuclear-fission>. Acesso em: 12, set. 2022.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.