Chapter 9: Radioactivity and Nuclear Chemistry

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9.6:

Fissão Nuclear

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Chemistry

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Nuclear Fission

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A fissão nuclear é o processo em que um núcleo pesado se desintegra em dois ou mais núcleos leves de diferentes tamanhos, ou fragmentos de fissão e nêutrons. Notavelmente, os fragmentos de fissão e o número de nêutrons não são os mesmos para cada fissão. No entanto, as somas do números de massa e atómicos são sempre as mesmas em ambos os lados das equações de fissão.Para além dos nêutrons prontamente’produzidos por fissão, podem ser produzidos nêutrons atrasados’adicionais após a desintegração beta dos fragmentos de fissão de alta energia. Nas reações de fissão, a soma das energias de ligação dos nuclídeos derivados é maior do que a energia de ligação do nuclídeo principal. A diferença é responsável pela enorme quantidade de energia libertada durante a fissão.Os nêutrons libertados pela fissão são tipicamente nêutrons rápidos’que têm energias cinéticas elevadas e movem-se através da maioria dos grandes núcleos sem interagir com eles. Os nêutrons perdem substancialmente energia ao colidir com núcleos de tamanho semelhante. Aqueles que se aproximam do equilíbrio com o seu meio envolvente são lentos’ou nêutrons térmicos’Os nuclídeos fissionáveis que sofrem fissão por absorção os nêutrons térmicos são chamado de físsil’Nem todos os nêutrons produzidos numa reação de fissão causam necessariamente fissão num outro núcleo.No entanto, quando tais nêutrons iniciam a fissão, é chamada de reação nuclear em cadeia. As reações em cadeia são descritas com gerações’de nêutrons. O nêutron que inicia uma reação em cadeia é a primeira geração, e a fissão resultante produz a segunda geração.Os nêutrons produzidos da fissão induzida pela segunda geração de nêutrons são a terceira geração. A reação em cadeia continua até que não haja mais nêutrons para serem produzidos. Se o número médio de fissões permanecer o mesmo de uma geração para a próxima, a energia é produzida a um ritmo constante.Na maioria dos casos, este processo é mais provável se os nêutrons abrandarem bem antes de deixarem o material. Uma certa massa mínima, chamada massa crítica”de material fissionável é necessário para assegurar que os nêutrons produzidos têm material suficiente para induzir mais fissão. Uma massa subcrítica é um qualquer montante abaixo do limiar para a massa crítica, e uma massa supercrítica é qualquer montante acima desse limiar.A massa crítica é afetada pela temperatura, forma, e composição do meio envolvente. As alterações nestes parâmetros poderia tornar uma massa subcrítica em crítica ou vice-versa.

9.6:

Fissão Nuclear

Muitos elementos mais pesados com energias de ligação mais pequenas por nucleão podem decompor-se em elementos mais estáveis que têm números de massa intermédios e energias de ligação maiores por nucleão, ou seja, números de massa e energias de ligação por nucleão que estão mais próximos do “pico” do gráfico de energia de ligação perto de 56. Por vezes, também são produzidos neutrões. Esta decomposição de um núcleo grande em porções menores é chamada de fissão. A quebra é bastante aleatória com a formação de um grande número de produtos diferentes. A fissão geralmente não ocorre naturalmente, mas é induzida por bombardeamento com neutrões.

Uma quantidade tremenda de energia é produzida pela fissão de elementos pesados. Por exemplo, quando um mole de U-235 é submetido a fissão, os produtos pesam cerca de 0,2 gramas menos do que os reagentes; esta massa “perdida” é convertida em uma quantidade muito grande de energia — cerca de 1,8 × 10¹⁰ kJ por mole de U-235. As reações de fissão nuclear produzem quantidades de energia incrivelmente elevadas em comparação com as reações químicas. A fissão de 1 quilograma de urânio-235, por exemplo, produz cerca de 2,5 milhões de vezes mais energia do que a produzida ao queimar 1 quilograma de carvão.

Durante a fissão, U-235 produz dois núcleos de “tamanho médio&#822q; e dois ou três neutrões. Estes neutrões podem então causar a fissão de outros átomos de urânio-235, que por sua vez fornecem mais neutrões que podem causar fissão de ainda mais núcleos, e assim por diante. Se isso ocorrer, temos uma reação nuclear em cadeia. Por outro lado, se muitos neutrões escaparem do material total sem interagirem com um núcleo, então nenhuma reação em cadeia irá ocorrer.

O material que pode ser submetido a fissão como resultado de qualquer bombardeamento de neutrões é chamado de fissionável; material que pode ser submetido a fissão como resultado de bombardeamento por neutrões térmicos lentos é adicionalmente chamado de físsil.

A fissão nuclear torna-se auto-sustentável quando o número de neutrões produzidos pela fissão é igual ou superior ao número de neutrões absorvidos pela divisão dos núcleos mais o número de neutrões que escapam para as imediações. A quantidade de um material fissionável que irá apoiar uma reação em cadeia auto-sustentável é uma massa crítica. Uma quantidade de material fissionável que não pode sustentar uma reação em cadeia é uma massa subcrítica. Uma quantidade de material em que há uma taxa crescente de fissão é conhecida como uma massa supercrítica.

A massa crítica depende do tipo de material: a sua pureza, a temperatura, a forma da amostra, e como as reações de neutrões são controladas. Os materiais tornam-se tipicamente menos densos a temperaturas mais elevadas, permitindo que os neutrões escapem mais facilmente. Os neutrões que começam no centro de um objeto plano podem alcançar a superfície mais facilmente do que os neutrões que começam no centro de um objeto esférico. Se o material estiver fechado em um recipiente feito de um material reflector de neutrões, como a grafite, muito menos neutrões podem escapar, o que significa que é necessário muito menos do material fissionável para alcançar uma massa crítica.

Este texto é adaptado de Openstax, Chemistry 2e, Section 21.4: Transmutation and Nuclear Energy.

Suggested Reading

United States Nuclear Regulatory Commission. Glossary. https://www.nrc.gov/reading-rm/basic-ref/glossary/full-text.html Accessed 2021-01-11