Fissão nuclear
Fissão nuclear, na física nuclear, é a quebra do núcleo de um átomo instável em dois núcleos menores pelo bombardeamento de partículas como nêutrons. Os isótopos formados pela divisão têm massa parecida, no entanto geralmente seguem a proporção de massa de 3 para 2.
Os processos que alteram o estado ou composição da matéria são acompanhados pela absorção ou geração de energia. Processos comuns, como a combustão, produzem energia pelo rearranjo químico dos átomos ou moléculas. Por exemplo, a combustão do metano é representada pela seguinte reação: C H 4 + 2 O 2 = C O 2 + 2 H 2 O {\displaystyle CH_{4}+2O_{2}=CO_{2}+2H_{2}O} Neste exemplo, a energia produzida é de 8 elétron-volts (eV). O elétron-volt é uma unidade de energia que representa o ganho de energia cinética quando um elétron é acelerado por uma diferença de potencial de um volt. A mais conhecida reação nuclear é a fissão. Nela, um núcleo pesado se combina com um nêutron e se separa em dois outros núcleos mais leves. Uma típica reação de fissão envolvendo o urânio é: 235 U + n → 92 K r + 141 B a + 3 n + 179 , 4 M e V {\displaystyle ^{235}U+n\quad \rightarrow \quad ^{92}Kr+^{141}Ba+3n+179,4\;MeV}
Descoberta da fissão nuclear
A descoberta da fissão nuclear ocorreu em 1938 nos edifícios da Sociedade Kaiser Wilhelm de Química, hoje parte da Universidade Livre de Berlim, após mais de quatro décadas de trabalho na ciência da radioatividade e na elaboração de uma nova física nuclear que descrevia os componentes dos átomos. Em 1911, Ernest Rutherford propôs um modelo do átomo no qual um núcleo de protões muito pequeno, denso e positivamente carregado era rodeado por eletrões em órbita, negativamente carregados (o Modelo de Rutherford). Niels Bohr aperfeiçoou este modelo em 1913, reconciliando o comportamento quântico dos eletrões (o Modelo de Bohr). Em 1928, George Gamow propôs o Modelo da gota líquida, que se tornou essencial para a compreensão da física da fissão.:49–51,70–77,228:6–7
Realização da reação de fissão em cadeia
Durante este período, o físico húngaro Leó Szilárd percebeu que a fissão de átomos pesados impulsionada por neutrões poderia ser usada para criar uma reação nuclear em cadeia. Uma tal reação utilizando neutrões era uma ideia que ele tinha formulado pela primeira vez em 1933, ao ler os comentários depreciativos de Rutherford sobre a produção de energia a partir de colisões de neutrões. No entanto, Szilárd não tinha sido capaz de alcançar uma reação em cadeia impulsionada por neutrões utilizando berílio. Szilárd afirmou: "...se pudéssemos encontrar um elemento que se dividisse por neutrões e que emitisse dois neutrões quando absorvesse um neutrão, tal elemento, se reunido numa massa suficientemente grande, poderia sustentar uma reação nuclear em cadeia." A 25 de janeiro de 1939, após saber da descoberta de Hahn através de Eugene Wigner, Szilárd notou: "...se forem emitidos neutrões suficientes... então deveria ser, claro, possível sustentar uma reação em cadeia. Todas as coisas que H. G. Wells previu pareceram-me subitamente reais." Após a publicação do artigo de Hahn-Strassman, Szilárd notou numa carta a Lewis Strauss que, durante a fissão do urânio, "a energia libertada nesta nova reação deve ser muito mais elevada do que em todos os casos anteriormente conhecidos...", o que poderia levar à "produção em larga escala de energia e elementos radioativos, infelizmente também talvez a bombas atómicas.":26–28,203–204,213–214,223–225,267–268
Projeto Manhattan e mais além
Nos Estados Unidos, foi iniciado um esforço total para o fabrico de armas atómicas no final de 1942. Este trabalho foi assumido pelo Corpo de Engenheiros do Exército dos Estados Unidos em 1943 e ficou conhecido como o Distrito de Engenharia de Manhattan. O ultrassecreto Projeto Manhattan, como era coloquialmente conhecido, foi liderado pelo General Leslie R. Groves. Entre as dezenas de locais do projeto encontravam-se: o Complexo de Hanford, em Washington, que teve os primeiros reatores nucleares à escala industrial e produziu plutónio; Oak Ridge, no Tennessee, que se dedicava principalmente ao enriquecimento de urânio; e o Laboratório Nacional de Los Alamos, no Novo México, que foi o centro científico para a investigação sobre o desenvolvimento e design da bomba. Outros locais, nomeadamente o Laboratório de Radiação de Berkeley e o Laboratório Metalúrgico da Universidade de Chicago, desempenharam papéis importantes. A direção científica geral do projeto foi gerida pelo físico J. Robert Oppenheimer.
Reatores de fissão nuclear naturais na Terra
A criticalidade na natureza é invulgar. Em três depósitos de minério em Oklo, no Gabão, foram descobertos dezasseis locais (os chamados Reatores Fósseis de Oklo) nos quais ocorreu fissão nuclear autossustentada há aproximadamente 2 mil milhões de anos. O físico francês Francis Perrin descobriu os Reatores Fósseis de Oklo em 1972, mas tal tinha sido postulado por Paul Kuroda em 1956. Reações de fissão em cadeia de urânio natural em larga escala, moderadas por água normal, tinham ocorrido num passado distante e não seriam possíveis agora. Este processo antigo pôde utilizar água normal como moderador apenas porque, há 2 mil milhões de anos, o urânio natural era mais rico no isótopo físsil de vida curta 235U (cerca de 3%) do que o urânio natural disponível hoje (que é de apenas 0,7% e tem de ser enriquecido para 3% para ser utilizável em reatores de água leve).
Tudo o que existe no mundo observável é feito de matéria, que por sua vez é composta por partículas chamadas átomos. Esses átomos têm em seu interior um centro (o núcleo atômico) que é rodeado pelas camadas eletronicas bem definidas de energia onde giram os elétrons (partículas negativas e-). O centro do átomo costuma ser em média de 10 a 100 mil vezes menor que ele e comporta dentro de si os prótons (partículas positivas p) e os nêutrons (partículas neutras n). Alguns átomos possuem núcleos instáveis, ou seja, que estão em constante processo de desintegração nuclear, o que propicia a liberação das radiações radiação alfa - α, radiação beta -β e radiação gama - γ. Como estão sempre em instabilidade, qualquer partícula que seja adicionada a esse núcleo pode, em suma, provocar a sua desintegração total em energia e uma maior liberação de partículas que se movem em alta velocidade. Esse é o princípio da fissão nuclear realizada nos reatores das usinas nucleares ou no interior das estruturas de uma bomba atômica.
A energia liberada no processo de fissão nuclear é resultado da conversão de parte da massa nuclear em energia, prevista pela ideia relativística de massa-energia, esta massa nuclear que se transforma em energia não é composta por quarks como poderíamos supor, mas é o resultado da força forte, uma das quatro forças fundamentais cuja partícula mensageira é o glúon (do inglês, glue, cola). A força forte, nas distâncias subatômicas é a mais forte de todas as quatro e é o que mantém quarks e, consequentemente, nêutrons e prótons coesos no núcleo do átomo. A energia que tal força dispensa é percebida como massa e é parte da massa total do núcleo (razão pela qual a massa do núcleo é ligeiramente maior que a de todos os seus componentes somadas, o glúon não possui massa). Tal força é menor quanto menos numerosas são as partículas componentes do átomo, sendo assim parte da massa resultado da energia dispensada pela força forte é convertida em energia. A maior parte da energia liberada neste processo conhecido como fissão (onde usualmente um átomo de Urânio-235 recebe um nêutron se tornando Urânio-236 oscilando e ficando instável até se fragmentar em Criptônio e Bário) é do tipo luminosa, porém uma considerável parte é convertida em partículas fundamentais mais raras como o neutrino do elétron, o múon ou o pósitron.
Para que uma reação nuclear seja autossustentada, é preciso que, em média, pelo menos um dos nêutrons emitidos pela fissão do 235U seja capturado por outro núcleo de 235U e provoque a fissão deste segundo núcleo. O fator de reprodução de um reator, representado pela letra k, é definido como o número médio de nêutrons resultantes de fissões que produzem novas fissões. No caso do 235U , o número máximo possível de k é 2,4, mas este número normalmente é bem menor, por duas razões principais: Nos reatores nucleares para produção de energia, o valor de k é mantido muito próximo de 1, veja esquema na figura , onde os fragmentos de fissão estão representados apenas para as primeiras quatro fissões. O número médio de nêutrons produzidos é 2,5 por fissão. Neste exemplo, k = 1,6. Observe que embora existam quarenta nêutrons no diagrama, basta absorver dois destes nêutrons para que o fator de produção seja reduzido para k = 1, o valor necessário para que a reação se mantenha estável. Quando k é exatamente igual a 1, dizemos que o reator está crítico; quando k < 1, que está subcrítico; quando k > 1, que está supercrítico.
