UNIVERSIDADE PAULISTAINSTITUTO DE CIENCIAS EXATAS E TECNOLOGIA - ICET

Fuso Nuclear e Reatores de Fuso NuclearBruno Henrique Pereira Dalmazo - RA: A5468H-9 Guilherme Antunes Alves - RA: A4674D-0 Rodrigo Camargo Chimenez - RA: A53839-9 Rogrio Csar Peroti - RA A63842-3 Romrio Fonseca - RA: A63DHB-3

SOROCABA 2010

Bruno Henrique Pereira Dalmazo - RA: A5468H-9 Guilherme Antunes Alves - RA: A4674D-0 Rodrigo Camargo Chimenez - RA: A53839-9 Rogrio Csar Peroti - RA A63842-3 Romrio Fonseca - RA: A63DHB-3

Fuso Nuclear e Reatores de Fuso Nuclear

Trabalho apresentado para avaliao da disciplina de Atividades Prticas Supervisionadas, do curso de

Engenharia, da Universidade Paulista

Orientadora: Prof. Ms. Maria A. Almeida

SOROCABA 2010

...

Eu

dei

um

passeio

paradisaco atravs do nosso silncio, eu sabia que a espera havia comeado e fui direto pra dentro do sol brilhante. (David Gilmour- faixa Coming Back to life, album Division Bell-Pink Floyd, Londres 1994)

Resumo

O objetivo deste trabalho demonstrar o processo de fuso nuclear de uma forma fcil de entender, contextualizando com fatos que ocorrem no Universo h bilhes de anos e so responsveis pela energia solar, bem como a composio da matria e suas transformaes, demonstrar uma importante forma de energia que dever ser usada futuramente, por conta de sua compactao e a quantidade de deutrio existente em nosso planeta, tendo em vista que as fontes de energia conhecidas atualmente se esgotaro, ento so necessrias novas alternativas, para que, no futuro, no venha a faltar energia.

Palavras chave: Fuso nuclear, Energia nuclear, reator nuclear

Sumrio Introduo ................................................................................................ 9 l. Modelos Nucleares ............................................................................ 12 1.2 Modelo Rutherford X Thomson..................................................... 14 1.3 O modelo coletivo ......................................................................... 15 1.4 O modelo das partculas Independentes ...................................... 17 1.5 Um modelo combinado ................................................................. 18 ll. Propriedades dos ncleos .................................................................. 19 2.2 Raio dos Ncleos ......................................................................... 20 Principio de excluso de Pauli ............................................................... 22 - Simbologia dos subnveis e orbital. .................................................. 23 Massa dos ncleos ............................................................................. 23 Energia de ligao nuclear ................................................................. 24 Tabela II de energia de ligao por ncleon ....................................... 26 Nveis de energia nuclear ................................................................... 26 Spin e Magnetismo dos Ncleos ........................................................ 27 Fora nuclear ......................................................................................... 27 Radioatividade ....................................................................................... 28 Decaimento radioativo ........................................................................ 30 Decaimento alfa.................................................................................. 33 Decaimento Beta ................................................................................ 34 Raios gama ........................................................................................ 37 O Neutrino .......................................................................................... 38 Datao Radioativa ............................................................................ 40 Os perigos da radiao ...................................................................... 40 Fisso Nuclear ....................................................................................... 41 Reao em cadeia.............................................................................. 42

Fuso Nuclear ....................................................................................... 42 A fuso termonuclear no Sol e em Outras estrelas ............................ 43 Fuso Termonuclear .......................................................................... 46 Fuso Nuclear controlada .................................................................. 47 Reatores Nucleares ............................................................................... 48 Definio ............................................................................................ 48 Reator de fuso nuclear tokamak ....................................................... 50 Elementos fundamentais de um reator nuclear .................................. 51 Maneiras de construir um reator nuclear ............................................ 52 Requisitos que deve atender um reator termonuclear ........................ 52 Reatores rpidos ................................................................................ 53 Reatores Magnox ............................................................................... 55 Reatores a gua pesada .................................................................... 57 Aplicao na cincia tecnologia ............................................................. 59 Impactos produzidos .............................................................................. 63 Efeitos do trabalho na formao do aluno ............................................. 66 Concluso .............................................................................................. 67 Bibliografia ............................................................................................. 68

Introduo

O presente trabalho tem como objetivo aprofundar o conhecimento do aluno de graduao em Engenharia sobre a fuso nuclear e o reator de fuso nuclear, para tal foi utilizado a pesquisa bibliogrfica, isto a leitura e anlise de textos, livros impressos e internet. Para a compreenso do processo de fuso nuclear, necessrio o entendimento da estrutura atmica e nuclear e seus elementos principais como, ento, o primeiro capitulo explora os modelos nucleares, verificando o processo e os experimentos que foram utilizados para chegar a concluso da estrutura nuclear, a descoberta do ncleo atmico, que abriu a possibilidade desse estudo dessa fora que at o incio do sculo passado era desconhecida, tambm neste captulo ser dada uma abordagem aos elementos bsicos do ncleo que so: eltrons, que possuem carga negativa, nutrons que no possuem carga, prtons que tem carga positiva, estes dois ltimos, estudaremos mais a fundo, pois o ncleo atmico constitudo de prtons e nutrons, para equilbrio das cargas no interior do tomo, uma vez que eltrons orbitam o ncleo. No segundo captulo, estudaremos a fundo as propriedades dos nucldeos(prtons e nutrons), como nmero atmico, que o nmero de prtons que contem no interior do ncleo, a massa atmica, que a somatria de prtons e nutrons, a energia de ligao por nucleon, que a energia que precisa ser aplicada em um determinado elemento para fazer a retirada de um nucleon dele, tornado-o instvel, podendo assim ser realizada a fisso ou fuso nuclear, tambm ser dada uma abordagem aos nveis de energia, que explica a energia que liberada quando um ncleon cai de um nvel de energia mais elevado para um menor emitindo um fton. No terceiro captulo ser abordado a fora nuclear, que trouxe uma nova concepo da fsica em que foi necessria a quebra de um paradigma que se tinha no incio do sculo passado, pois se sabe que segundo leis eltricas (lei de Coloumb), cargas iguais se repelem, tornando impossvel a juno de dois prtons no ncleo atmico, com esse problema foi necessria a formulao de novas leis e a compreenso de uma nova fora para poca: A fora nuclear que faz com que essa atrao entre dois prtons seja possvel, pois essa

fora maior que a eltrica que tende a fazer que cargas iguais se repelem, este processo o que o Sol realiza para irradiar energia, fazendo a fuso de prtons de hidrognio para conseguir energia. No quarto captulo ser abordada a radioatividade e seus perigos, um processo que ocorre com essas interaes nucleares em elementos instveis, onde so liberadas partculas alfa, beta e gama, essas partculas so perigosas, pois contm carga eltrica, e em contato a matria transferem energia, sendo assim prejudiciais a qualquer forma de vida. No quinto captulo ser abordado processo de fisso nuclear, que235

consiste na coliso de um nutron trmico com um ncleo de236

U , formando

um outro elemento, o

U , esse ncleo instvel e tem oscilaes de

energia, com essas oscilaes os ncleos tendem a se separar formando dois ncleos diferentes, liberando energia e outros dois neutrons trmicos so liberados para fazer outra coliso, ocasionando uma reao em cadeia. No sexto captulo ser explicada a fuso nuclear, processo de juno de dois ncleos leves para a formao de um ncleo pesado, liberando elevada quantidade de energia, veremos os diferentes tipos de fisses e as circunstancias necessrias para que ela ocorra. No stimo captulo tem-se um estudo dos reatores nucleares Para a gerao de energia nuclear, os requisitos que devem atender, sua engenharia e os problemas atuais que se tem para tornar vivel a utilizao de um reator de fuso nuclear, tendo em vista que atualmente utilizado um reatores de fisso nuclear para gerao de energia comercial, ser visto tambm que reatores de fuso nuclear esto sendo estudados, este um processo mais difcil, pois a fuso somente ocorre em temperaturas extremamente elevadas, e um tempo de confinamento relativamente alto, nenhum slido agentaria a temperatura para ocorrer a fuso nuclear, ento so necessrios estudos para viabilizar o processo. A energia nuclear um dos ramos mais estudados atualmente, e provavelmente ser a principal fonte de energia no mundo em um futuro prximo, este trabalho pretende demonstrar alguns fundamentos bsicos para a compreenso do processo de fuso nuclear e o funcionamento dos reatores nucleares, para isso preciso estudos da estrutura nuclear e suas

propriedades, como a radioatividade, que so as partculas que so geradas no processo de fuso nuclear: alfa, beta e gama, os problemas e perigos para a sociedade que um eventual acidente como o que ocorreu na Rssia em Chernobil em 1986, poderia gerar e tambm, impactos que uma guerra nuclear poderia ocasionar ao planeta, passar bases matemticas para clculos de energia de liberao nuclear, ou seja, a energia que tem que ser utilizada para excitao dos nucleons(prtons e nutrons) do ncleo e vencer a barreira Coloumb.

l. Modelos Nucleares

Nos primeiros anos do sculo passado, pouco se sabia sobre a estrutura dos tomos alm do fato de que continham eltrons. O eltron fora descoberto por J. J. Thomson, em 1897, e sua massa era desconhecida. Por isso, no era possvel sequer dizer exatamente quantos desses eltrons carregados negativamente um dado tomo continha. Os tomos eram eletricamente neutros, desse modo deviam tambm conter alguma carga eltrica positiva, mas ningum sabia de que forma essa carga positiva compensadora se distribua. (Walcker, Halliday Resnick, 2007) Em 1911, Ernest Rutherford sugeriu que a carga positiva do tomo estava densamente concentrada no centro do tomo, formando um ncleo e que, alm disso, era responsvel pela maior parte da massa do tomo. A sugesto de Rutherford no era uma simples especulao, pois se baseava firmemente nos resultados de uma experincia sugerida por ele e executada por dois colaboradores, Hans Geiger (inventor do contador Geiger) e Ernest Marsden, um estudante de 20 anos que ainda no tinha concludo o curso de graduao. (Walcker, Halliday Resnick, 2007). Na poca de Rutherford, j se sabia que certos elementos, ditos radioativos, processo. Um desses elementos o gs radnio, que emite partculas alfa (a) com uma energia de aproximadamente 5,5Mev. Hoje sabemos que essas partculas so ncleos de tomos de hlio. (Walcker, Halliday Resnick, 2007) A idia de Rutherford era lanar partculas alfa (a) energticas contra um alvo feito de uma folha metlica delgada e medir seus desvios ao atravessarem a folha. As partculas alfa, que so cerca de 7.300 vezes mais pesadas que os eltrons, tm a carga +2e e so emitidas espontaneamente (como energias de alguns MeV) por materiais radioativos. (Walcker, Halliday Resnick, 2007) se transformam espontaneamente, emitindo partculas no

Ilustrao I Experimento de Rutherford

(Portal So Francisco, Modelo atmico de Rutherford, 2007, Disponvel em Acesso em 14/10/2010

O resultado obtido foi que a maioria das partculas a espalhada atravs de ngulos bastante pequenos, mas para surpresa de Rutherford, uma pequena frao dessas partculas espalhada atravs de ngulos muito grandes, prximos de 180. Rutherford percebeu que, para desviar a partcula a para trs, deveria haver uma fora muito grande; esta fora poderia ser obtida se a carga positiva, ao invs de estar espalhada por todo tomo, estivesse fortemente concentrada em seu centro. Nesse caso, a partcula a incidente poderia chegar muito prximo do centro da carga positiva sem penetr-lo; uma coliso desse tipo resultaria numa fora defletora muito grande. Com esse experimento Rutherford chegou a concluso de que o ncleo do tomo tem carga positiva fez um novo modelo atmico diferente do previsto por Thomson, que previa que as cargas positivas estavam espalhadas em todo o tomo e no centralizada em um ncleo. (Walcker, Halliday Resnick, 2007)

Ilustrao II Experimento de Rutherford: (Walcker, Halliday Resnick, 2007)

A

partir

dessas

observaes,

Rutherford

chegou

s

seguintes

concluses:

No tomo existem espaos vazios; a maioria das partculas

o atravessava sem sofrer nenhum desvio.

No centro do tomo existe um ncleo muito pequeno e

denso; algumas partculas alfa colidiam com esse ncleo e voltavam, sem atravessar a lmina.

O ncleo tem carga eltrica positiva; as partculas alfa que

passavam perto dele eram repelidas e, por isso, sofriam desvio em sua trajetria. 1.2 Modelo Rutherford X Thomson Ilustrao III Modelos nucleares

(Portal

So

Francisco,

Fsica

Moderna,

2007,

Disponvel

em

:>) Os ncleos so mais complexos que os tomos. No caso dos tomos, a lei bsica da fora que age entre os componentes (lei de Coloumb) tem uma expresso simples e a fora exercida a partir de um centro bem definido, o ncleo atmico. No caso dos ncleos, a fora que mantm os componentes unidos tem uma expresso complicada. Alm isso o ncleo, uma mistura de prtons e nutrons no possuem um centro bem definido. (Walcker, Halliday Resnick, 2007). Na falta de uma teoria nuclear satisfatria, os fsicos decidiram elaborao de modelos nucleares. Um modelo nuclear simplesmente uma forma de encarar o ncleo que permite estudar da melhor maneira possvel suas propriedades. A utilidade de um modelo testada pela capacidade de fazer previses que possam ser testadas experimentalmente. (Walcker, Halliday Resnick, 2007) Dois modelos nucleares se revelaram particularmente teis. Embora seja baseado em hipteses aparentemente irreconciliveis, cada um deles reflete razoavelmente bem um grupo seleto de propriedades nucleares. (Walcker, Halliday Resnick, 2007)

1.3 O modelo coletivo

No modelo coletivo, formulado por Niels Bohr, os nucleons, movendo-se aleatoriamente no interior do ncleo, interagem fortemente entre si, como as molculas em uma gota de lquido. Um dado nucleon colide frequentemente com outros nucleons no interior do ncleo, j que seu livre caminho mdio bem menor que o raio nuclear. (Walcker, Halliday Resnick, 2007). O modelo coletivo permite correlacionar muitos fatos a respeito das massas e energias de ligao dos ncleos, pode ser usado para explicar a fisso nuclear, alm de facilitar a anlise de um grande numero de reaes nucleares. (Walcker, Halliday Resnick, 2007). Considere por exemplo, uma reao nuclear generalizada da forma

X+ C Y+bImaginamos que o projtil

penetra no alvo X, formando um ncleo

composto C e transferindo a esse ncleo um certa excitao. O projtil, talvez um nutron, comea imediatamente a participar dos movimentos aleatrios que caracterizam as partculas do interior do ncleo. Ele perde rapidamente a identidade, e a energia de excitao da qual era portador passa a ser compartilhada por todos os nucleons de C. (Walcker, Halliday Resnick, 2007). O estado quase estvel representado por C na equao pode ter uma-16 meia vida de 10 s antes de decair em y e b. Pelos padres nucleares, trata-se

de um tempo extremamente longo, cerca de um milho de vezes maior que o tempo necessrio para que um nucleon com uma energia com alguns milhes de eletro-volts percorra uma distancia igual ao dimetro do ncleo. (Walcker, Halliday Resnick, 2007). Um aspecto importante do modelo coletivo o fato de que a formao de um ncleo composto e seu decaimento so eventos totalmente independentes. Ao decair, o ncleo composto j esqueceu o modo como foi formado; por isso, o modo de decaimento no influenciado pelo modo de formao. Assim por exemplo, a figura abaixo mostra trs modos possveis de decaimento do mesmo ncleo. Qualquer dos trs modos de formao pode ser seguido por qualquer dos trs modos de decaimento. (Walcker, Halliday Resnick, 2007).

1.4 O modelo das partculas Independentes

No modelo coletivo, supomos que os nucleons se movem ao acaso e esto sujeitos a colises freqentes com outros ncleons. O modelo das particulas independentes, por outro lado, se baseia na hiptese diametralmente oposta, a de que cada nucleon permanece num estado quntico bem definido no interior do ncleo, praticamente sem colidir com nenhum outro nucleon. Ao contrario do tomo, o ncleo no possui um centro de fora bem definido, supomos que nesse modelo que cada ncleon se move em um poo potencial determinado pelo movimento mdio de todos os outros ncleos. (Walcker, Halliday Resnick, 2007). A cada ncleon pertencente a um ncleo, como a cada eltron pertencente a um tomo, podemos atribuir um conjunto de nmeros qunticos que define seu estado de movimento. Alm disso, tal como os eltrons de um tomo, os nucleons tambm obedecem ao principio d excluso de Pauli. Isto significa que no interior de um ncleo no podem existir simultaneamente dois nucleons com os mesmos nmeros qunticos. Sob este aspecto, os prtons e os nutrons so tratados separadamente, isto , um prton e um nutron podem ter o mesmo o mesmo conjunto de nmeros quanticos. (Walcker, Halliday Resnick, 2007). O fato de os ncleos obedecerem ao principio de excluso de Pauli ajuda a explicar a estabilidade dos estados dos nucleons. Para que ocorra uma coliso entre dois nucleons, alm de serem obedecidas as leis de conservao de energia de um estado desocupado. Se esta condio no satisfeita, a coliso simplesmente no pode ocorrer. Assim, um ncleo que experimenta repetidas oportunidades de coliso, permanece no mesmo estado de movimento por um tempo suficientemente longo para tornar vlida a afirmao de que se encontra em um estado quntico bem definido. (Walcker, Halliday Resnick, 2007). No caso dos tomos, as repeties das propriedades fsicas e qumicas que observamos na tabela peridica esto associadas a uma propriedade dos

eltrons atmicos: a de se distriburem em camadas que apresentam uma estabilidade especial quando esto totalmente ocupadas. Podemos considerar o numero atmico dos gases nobres: 2,10,18,36,54,86,..., Como nmeros mgicos eletrnicos para os quais o tomo pssui apenas camadas completas. Os ncleos apresentam uma propriedade semelhante, qual

corresponde certos nmeros mgicos nucleares: 2,8,20,28,50,82,126,... Qualquer nuclideo com um numero de prtons Z ou um numero de nutrons N igual a um dos nmeros acima apresenta uma estabilidade especial, que pode ser demonstrada de vrias formas. (Walcker, Halliday Resnick, 2007). Entre os nuclideos mgicos esto o (N=50), e o (Z=82, N=126). O eo18

O

(Z=8), o (Z=20, N=20), o so considerados duplamente

mgicos, porque contem camadas completas de prtons e camadas completas de nutrons. (Walcker, Halliday Resnick, 2007). O numero mgico 2 se manifesta na excepcional estabilidade da partcula alfa ( He ), que com Z=N=2, duplamente mgica, a energia de ligao por nucleon do He bem maior que a dos vizinhos na tabela peridica (hidrognio, ltio, berlio). Na verdade, a particula alfa to estvel que impossvel acrescentar a ela um nico nucleon: no existe nenhum nuclideo estvel com A=5. (Walcker, Halliday Resnick, 2007). A idia principal que est por trs do conceito das camada completa, que em um sistema formado por camadas completas e mais de uma partcula, esta partcula excedente pode ser removida com relativa facilidade, mas necessria uma energia muito maior para remover uma das partculas de uma camada completa. (Walcker, Halliday Resnick, 2007). 1.5 Um modelo combinado4 4

O modelo combinado leva em considerao um ncleo no qual, um pequeno de numero de eltrons gira em torno de um caroo formado por

camadas completas contendo nmeros mgicos de nutrons e prtons. Os nucleons externos ocupam estados quantizados em um poo potencial estabelecido pelo caroo central, preservando assim a caracterstica principal de partculas independentes. Os nucleons externos tambm interagem com o caroo, deformando-o e excitando modos de vibrao e rotao no seu interior. Os movimentos do caroo como um todo preservam a caracterstica principal do modelo coletivo. Este modelo de estrutura nuclear, que combina as hipteses aparentemente irreconciliveis do modelo coletivo e do modelo das partculas independentes, permite explicar muitas propriedades dos ncleos. (Walcker, Halliday Resnick, 2007).

ll. Propriedades dos ncleos

Quando estamos interessados nas propriedades destas partculas como espcies nucleares (e no como parte dos tomos), elas so chamadas de nucldeos. (Walcker, Halliday Resnick, 2007). Os ncleos so feitos de prtons e nutrons. O nmero de prtons dos ncleos (tambm conhecido como nmero atmico) representado pela letra Z, o nmero de nutrons representado pela letra N. A soma do nmero de prtons e do nmero de nutrons conhecida como nmero de massa e representada pela letra A. (Walcker, Halliday Resnick, 2007).

A=Z+N. Os prtons e nutrons recebem o nome de nuclens. Os nucldeos so representados por smbolos como os que aparecem na primeira coluna da tabela abaixo. Considere por exemplo, o nucldeo 197Au. O ndice superior 197 o valor de massa A. O smbolo qumico Au indica que o elemento o ouro, cujo nmero atmico 79. De acordo com a equao: A=Z+N, o nmero de nutrons desse nucldeo 197-79=118. (Walcker, Halliday Resnick, 2007). Os nucldeos com mesmo nmero atmico Z e diferentes nmeros de nutrons N so chamados de istopos. O elemento ouro possui 32 istopos que vo de 173Au at o 204Au. Apenas um destes nuclideos estvel; os

outros 31 so radioativos. Estes radionucldeos sofrem um processo espontneo de decaimento (ou desintegrao) no qual emitem uma ou mais partculas e se transformam em um nucldeo diferente. (Walcker, Halliday Resnick, 2007). Os tomos neutros de todos os istopos de um elemento (para os quais, por definio de Z o mesmo) possuem o mesmo nmero de eltrons, as mesmas propriedades qumicas e ocupam a mesma posio na tabela peridica dos elementos. As propriedades nucleares dos istopos de um elemento, porm, podem ser muito diferentes. Assim a tabela peridica de pouca valia para os fsicos nucleares, qumicos nucleares e engenheiros nucleares. (Walcker, Halliday Resnick, 2007).

Tabela I - Propriedades dos nucldeos (Walcker, Halliday Resnick, 2007).Abundancia/ Massa(u) b Spin Energia de ligao meia vida a1 7 31 84 120 157 197 227 239

Nucldeo H Li P Kr Sn Gd Au Ac Pu

Z 1 3 15 36 50 64

N 0 4 16 48

A 1 7 31 84

(Mev/nucleon) c 1,007825 1/2 ----------7,016004 3/2 5,6 30,973762 1/2 8,48 83,911507 0 8,72 8,51

0,999850 0,925000 1,000000 0,570000

70 120 93 157

0,324000 119,902197 0

0,157000 156,923957 3/2 8,21 1,000000 196,966552 3/2 7,91 227,027747 3/2 7,65 239,052157 1/2 7,56

79 118 197

89 138 227 21,8 anos 94 145 239 24.100 anos

a)No caso de ncleos estveis dada abundncia isotpica, ou seja, a frao deste tipo em uma amostra tpica do elemento. No caso de elementos radioativos dada meia vida. b)Segundo a prtica atual, a massa dada a massa do tomo neutro e no a massa do ncleo. c)Momento angular de spin em unidades de h. 2.2 Raio dos Ncleos

Uma unidade conveniente para medir distncias subatmicas o femtometro 10-15

. Esta unidade tambm chamada de fermi; os dois nomes-15

tem a mesma definio e a mesma abreviao. Assim: 1femtmetro = 1fermi = 1fm = 10

Podemos descobrir muita coisa a respeito do tamanho e da estrutura de um ncleo, bombardeando-o com eltrons de alta energia e observando de que forma esses eltrons so defletidos. Os eltrons devem ter uma energia suficiente (maior que 200MeV) para que o comprimento de onda Broglie seja menor que as dimenses do ncleo. O ncleo como o tomo, no um corpo slido, com uma superfcie bem definida. Alm disso, embora muitos ncleos sejam esfricos, outros tm a forma de um elipside. Mesmo assim, os experimentos de espalhamento de eltrons (e outros tipos de experimentos) permitem atribuir a cada nclideo um raio efetivo dado por:

r = r0A

1 3

Onde A o nmero de massa r0 1,2fm. Veremos que o volume de um ncleo varia de acordo com r , diretamente proporcional ao nmero de massa A e no depende dos valores de Z e N. No se aplica aos halonuclideos, nuclideos ricos em nutrons que foram produzidos pela primeira vez na dcada de 1980. O raio destes nucldeos so maiores que os dados pela equao acima, porque alguns nutrons formam um halo que envolve um caroo atmosfrico formado pelos prtons e os nutrons restantes. Um bom exemplo do ltio. Quando um nutron acrescentado ao 8Li para formar o 9Li, o raio efetivo aumenta apoximadamente 4%. Quando porm dois nutrons so acrescentados ao 9Li para formar 11Li(o mais pesado dos istopos do ltio), estes dois nutrons no se combinam com o ncleo j existente, mas formam um halo em torno do resto do ncleo. Em conseqncia, o raio efetivo aumenta aproximadamente 30%. Aparentemente, esta configurao mais estvel que os 11 ncleons ocupam a mesma regio.3

Principio de excluso de Pauli

O Princpio da Excluso de Pauli, diz que acima de 2 eltrons no podem ficar em um orbital, se eles estiverem em spins contrrios. Logo o Princpio de Pauli explica: Subnvel s considerado a regio que abriga 2 eltrons, ou seja, cada subnvel s considerado um orbital s. Portanto a camada K um orbital. Subnvel p considerado a regio que abriga no mximo 6 eltrons, logo o subnvel p composto por 3 orbitais, que so representados por px, py e pz. Subnvel d composto por 5 orbitais, logo comporta at 10 eltrons. Subnvel f composto por 7 orbitais, logo comporta at 14 eltrons. Para exemplificar, vamos simbolizar o orbital da seguinte forma, Vejamos: - Orbital possuindo apenas um eltron incompleto Ilustrao IV __Portal Colgio Web, Disponvel em:

http://www.colegioweb.com.br/quimica/principio-da-exclusao-de-pauli.html>> Acesso em 01/11/2010

- Orbital possuindo apenas um eltron contrrio ao anterior. Ilustrao V __Portal Colgio Web, Disponvel em:

http://www.colegioweb.com.br/quimica/principio-da-exclusao-de-pauli.html>> Acesso em 01/11/2010

- Orbital possuindo 2 eltron, cheios e completos, de spin contrrios. Ilustrao VI __Portal Colgio Web, Disponvel em:

http://www.colegioweb.com.br/quimica/principio-da-exclusao-de-pauli.html>> Acesso em 01/11/2010

- Simbologia dos subnveis e orbital. Ilustrao VII __Portal Colgio Web, Disponvel em:

http://www.colegioweb.com.br/quimica/principio-da-exclusao-de-pauli.html>> Acesso em 01/11/2010

(__Portal

Colgio

Web,

Disponvel

em:

http://www.colegioweb.com.br/quimica/principio-da-exclusao-de-pauli.html>> Acesso em 01/11/2010)

Massa dos ncleos

As massas atmicas podem ser medidas com grande preciso, mas as a massa dos ncleos so mais difceis de medir pela dificuldade de remover todos os eltrons do tomo. As massas atmicas so expressas em unidades de massa atmica (u), definidas de tal forma que a massa atmica (e no a massa nuclear) do 12C neutro exatamente 12u. (Walcker, Halliday Resnick, 2007). Massas atmicas esto disponveis em sites da internet e em geral so fornecidas em enunciados dos problemas. s vezes, porm, precisamos apenas de um valor aproximado da massa de um ncleo ou de um tomo neutro. Nesses casos utilizamos o nmero de massa A, que a massa do nucldeo inteiro mais prximo. Assim, por exemplo, o nmero de massa tanto para o ncleo como para197

o tomo de neutro de-27

Au 197u, enquanto a massa atmica

196,966573u. (Walcker, Halliday Resnick, 2007). 1u=1,66053873 x 10kg .

A massa de uma partcula envolvidas em uma reao nuclear varia de m, h uma liberao de energia dada pela equao: Q= mc, A energia nuclear medida em 1Me, dada pela constante c da equao: c=931,494013Mev/u. Os cientistas e engenheiros que trabalham com massas atmicas muitas vezes preferem expressar a massa de um tomo em termos do excesso de massa do tomo definido atravs da equao: =M-A (excesso de massa)

Onde M a massa do tomo em unidades de massa atmica e A o nmero de massa do tomo. (Walcker, Halliday Resnick, 2007).

Energia de ligao nuclear

A massa M de um nuclideo menor que a massa total Em das partculas que o compem. Isto significa que a energia de repouso Mc de um ncleo menor que a energia de repouso total (mc) dos prtons e nutrons que fazem parte do ncleo. A diferena entre essas duas energias chamada energia de ligao do ncleo. (Walcker, Halliday Resnick, 2007). Eeln=(Mc)-Mc A energia de ligao no uma energia existente no ncleo e sim a diferena entre a energia de repouso do ncleo e a soma das energias de repouso das partculas existentes no ncleo. Para separar as partculas que compem o ncleo, teramos que fornecer ao ncleo uma energia Eel durante o processo de separao. Embora um ncleo no possa ser desintegrado dessa forma, a energia de ligao uma medida conveniente da estabilidade de um ncleo. (Walcker, Halliday Resnick, 2007). Uma medida ainda melhor a energia de ligao por nucleon Eeln, que a razo entre a ligao Eel de um ncleo e o nmero A de nucleons do ncleo:Eeln = Eeln A

(energia de ligao por nclen) (Walcker, Halliday

Resnick, 2007).

Podemos pensar na energia de ligao por ncleon como a energia mdia necessria para arrancar um nucleon do ncleo. A figura abaixo mostra um grfico da energia de ligao por nucleon Eln em funo do nmero de massa A, para um grande nmero de massa A para um grande nmero de ncleos. Os ncleos que aparecem na parte superior so os mais estveis, j que necessria uma energia maior por ncleon para desintegr-los. Os ncleos que aparecem na parte inferior da curva, isto , nas duas extremidades, so os mais estveis. (Walcker, Halliday Resnick, 2007). Estas simples observaes a respeito da curva da figura abaixo, tm conseqncias importantes. Os ncleos situados na extremidade direita da curva perdem massa ao se transformarem em dois ncleos com um nmero de massa intermedirio. Este processo conhecido como fisso, ocorre espontaneamente (isto , sem que seja necessria uma fonte externa de energia) em ncleos de elementos pesados (com um grande nmero de massa A), como o urnio. O processo tambm pode acontecer em armas nucleares, nas quais muitos ncleos de urnio ou plutnio so induzidos a sofrer fisso praticamente ao mesmo tempo, produzindo uma exploso. (Walcker, Halliday Resnick, 2007). Os nucleons situados na extremidade esquerda da curva, isto com um nmero de massa pequeno, perdem massa ao se combinarem para formar um nico ncleo com um nmero de massa intermedirio. Este processo conhecido como fuso, ocorre normalmente no interior das estrelas. Sem este processo, o Sol no brilharia e portanto a vida no poderia existir na Terra. (Walcker, Halliday Resnick, 2007). Ento, sendo E a energia de ligao de um ncleo com Z prtons e ( A Z ) nutrons, de massa MZ,A, pode-se escrever: ZmP + ( A - Z )mN = MZ,A + E / c2 Onde: Z: nmero atmico (ver tabela peridica) A: nmero da massa (ver tabela peridica) M: massa P: prtons N: Neutrons

MZ,A: massa do elemento (ver tabela peridica) E: energia C2: mdulo da velocidade da luz elevado ao quadrado (Walcker, Halliday Resnick, 2007). Tabela II de energia de ligao por ncleon

Nveis de energia nuclear

Os ncleos assim como os tomos, so governados pelas leis da fsica quntica e existem em estados discretos de energia bem definidos. Quando um ncleo faz uma transio de um nvel para outro nvel de menor energia, o

fton emitido est tipicamente na regio de raios gama do espectro eletromagntico. (Walcker, Halliday Resnick, 2007).

Spin e Magnetismo dos Ncleos

Muitos nucldeos possuem um momento angular intrnseco, ou spin nuclear, e um momento magntico nuclear associado. Embora os momentos angulares nucleares sejam de mesma ordem de grandeza que os momentos angulares dos eltrons, os momentos angulares dos eltrons, os momentos magnticos nucleares so muito menores que os momentos magnticos eletrnicos. (Walcker, Halliday Resnick, 2007).

Fora nuclear

A fora que mantm os eltrons unidos ao ncleo para formar o tomo a fora eletromagntica. A fora que mantm os nucleons unidos entre si para formar o ncleo deve ser suficientemente intensa para superar a fora eletromagntica de repulso entre os prtons que possuem a mesma carga positiva. Experimentos mostram tambm que esta fora, de curto alcance, j que seus efeitos no se estendem muito alm de alguns femtmetros. (Walcker, Halliday Resnick, 2007). Devido fora eltrica repulsiva, os prtons deveriam se afastar uns dos outros. Os nutrons no possuem carga eltrica, logo no interagem por meio da fora eltrica. (Walcker, Halliday Resnick, 2007).

Para explicar a existncia do ncleo atmico foi necessrio imaginar a existncia de um novo tipo de fora: a fora nuclear, pois foi comprovado que no poderia ser uma atrao gravitacional. A idia que entre duas partculas nucleares existe uma fora muito intensa - muito mais intensa que a fora

gravitacional e que a fora eltrica- que responsvel pela unio dos prtons e nutrons no ncleo. (Walcker, Halliday Resnick, 2007). Quadro I Foras Fsicas (Prof. Luiz Carlos Menezes, 1997, Disponvel em: http://www.fisica.net/nuclear/fisica_nuclear_telecurso.pdf) 28/10/2010. - Acesso em

Tipo de fora

Entre

Intensidade Atrativa ou Repulsiva muito fraca com cargas Fraca Forte sempre atrativa atrativa ou repulsiva sempre atrativa

Gravitacional Massas Eltrica Nuclear Partculas eltricas partculas nucleares

um fenmeno conhecido desde o final do sculo passado e caracterizatado pela emisso de radiao. Naquela poca, eram conhecidas trs formas de radiao: os raios alfa, beta e gama. As betas so partculas bem mais leves do que as alfas, iguais aos eltrons que existem ao redor do ncleo. As betas, porm, so produzidas em reaes que ocorrem no interior do ncleo atmico. A radiao gama semelhante luz. (Prof. Luiz Carlos Menezes, 1997, Disponvel em: http://www.fisica.net/nuclear/fisica_nuclear_telecurso.pdf) 28/10/2010. Mais tarde descobriu-se que existem dois tipos de betas: as negativas, como os eltrons, e as positivas, chamadas tambm de psitrons, que so semelhantes aos eltrons, sendo tambm produzidas em reaes nucleares, mas possuem carga eltrica positiva. (Prof. Luiz Carlos Menezes, 1997, Disponvel em: http://www.fisica.net/nuclear/fisica_nuclear_telecurso.pdf) Acesso em 28/10/2010. Radioatividade Acesso em

Quadro II- (Prof. Luiz Carlos Menezes, 1997, Disponvel em: http://www.fisica.net/nuclear/fisica_nuclear_telecurso.pdf)

Partcula Smbolo Alfa Beta+ BetaA b+ b-

O que ? 2 prtons + 2 nutrons Psitron Eltron

Carga eltrica positiva Positive negativa

Conforme demonstrado na tabela acima, essas partculas possuem carga eltrica. Essa caracterstica da radiao torna-a muito perigosa. Nem todos os elementos qumicos so radioativos. O hidrognio, o nitrognio, o oxignio - a maioria dos elementos so estveis e no emitem nenhum tipo de radiao. Mas alguns elementos so instveis e emitem partculas. Ao emitir radiao, o ncleo de um elemento qumico radioativo perde partes de si. (Prof. Luiz Carlos Menezes, 1997, Disponvel em: http://www.fisica.net/nuclear/fisica_nuclear_telecurso.pdf) 28/10/2010. Voc j sabe que cada elemento qumico caracterizado pelo seu nmero atmico, Z. Ao emitir a alfa, o ncleo de urnio perde dois prtons e dois nutrons, transformando-se em outro elemento qumico, que tem Z = 90 e se chamado trio. E o que acontece com a alfa que foi emitida? Ela caminha solta pelo espao at encontrar matria, onde absorvida. O problema quando essa alfa encontra, por exemplo, o nosso corpo. (Prof. Luiz Carlos Menezes, 1997, Disponvel Acesso em: em Acesso em

http://www.fisica.net/nuclear/fisica_nuclear_telecurso.pdf) 28/10/2010.

Ilustrao VIII Formao e decaimento dos elementos (Walcker, Halliday Resnick, 2007).

Decaimento radioativo

A maioria dos ncleos conhecidos so radioativos. Os ncleos radioativos emitem espontaneamente uma ou mais partculas, transformandose em outro nucldeo, que ocupa um lugar diferente na carta de nucldeos. O decaimento radioativo foi a primeira indicao de que as leis que governam o mundo subatmico so estatsticas. Considere, por exemplo, uma amostra de 1mg de urnio. A amostra contem 2,5x 1018

tomos do

radionuclideo de longa vida de 238U. Os tomos presentes nesta atmosfera foram criados em supernovas, provavelmente muito antes da formao do sistema solar. Em um segundo, apenas 12 dos ncleos presentes na amostra se desintegram emitindo uma partcula alfa para se transformarem em ncleos de 234Th. Entretanto, no existe nenhum meio de prever se um dado ncleo

de uma amostra radioativa estar entre os que decairo no segundo seguinte. Embora seja impossvel prever quais sero os ncleos a decair, podemos dizer que, se uma amostra contem N ncleos radioativos, a taxa de decaimento destes ncleos, -dN/dt, proporcional a N:

dn N tOnde , a constante de desintegrao (constante de decaimento) tem

um valor diferente para cada radioucldeo. A unidade de no SI o inverso do segundo s . (Walcker, Halliday Resnick, 2007). Para determinamos N em funo do tempo t, separamos as variveis da equao, escrevendo:-1

n N t

E em seguida integramos ambos os membros, obtendo:

Onde arbitrrio t 0

N0

o nmero de ncleos radioativos m um instante inicial

Fazendo t 0 =0 e transformando a diferena de logaritimos no logaritimo de uma diviso, temos:

Tomando a exponencial de ambos os membros (a funo exponencial a funo inversa do logartimo natural), obtemos:

N = e t N0Ou :t

N = N0e

(decaimento radiotivo),

Onde N0 o nmero de ncleos radioativos em um instante

t 0 =0 e N

o nmero de ncleos que restam na amostra em um instante t>0. As lmpadas eltricas no obedecem a uma lei semelhante. Se medirmos a vida til de 1000 lmpadas, todas decairo, ou seja queimaro dentro de um intervalo de

tempo relativamente estreito. O decaimento dos radionuclideos segue uma lei muito diferente. Frequentemente, estamos mais interessados na taxa de decaimento R=( - dn/dt) do que o valor de N. Derivando a equao R=( - dn/dt), temos:

ou:

R = dN = N0 dt t

t

R = R 0e

decaimento radioativo

Que pode Ser considerada uma forma alternativa da lei do decaimento radioativo, R0 a taxa de decaimento radioativo no instante t=0 e R a taxa de decaimento em um instante t>0. Podemos escrever em termos da taxa de decaimento radioativo R da amostra: R=N, Onde R e N, o nmero de ncleos radioativos que ainda no decaram, devem ser calculados ou medidos para o mesmo valor de t. A soma das taxas de decaimento R de todos os rdionuclideos presentes em uma amostra chamada atividade da amostra. A unidade de atividade no SI recebe o nome de becquerel em homenagem a Henri Beccquerel, o descobridor da radioatividade: 1 becquerel = 1 Bq = 1 decaimento por segundo. Uma unidade mais antiga, o curie, continua a ser usada at hoje:

1 curie = 1 Ci = 3,7 x 10 Bq(Walcker, Halliday Resnick, 2007).

10

Ilustrao IX Decaimento radioativo

Fonte: (Colgio Estadual Prof. Fernando Antnio Raja Gabaglia, Disponivel em: http://fisicaonlinee.blogspot.com/) Acesso em 06/10/2010)

Decaimento alfa

Quando um ncleo sofre um decaimento alfa, transforma-se em um ncleo diferente emitindo uma partcula alfa (ou seja, um ncleo de hlio,4 238

He ). Assim por exemplo, quando o istopo do urnio234

U sofre um

decaimento alfa, transforma-se em reao:238 234 4

Th , um istopo do trio, atravs da

U

Th + He238

Este decaimento alfa do234

U pode ocorrer espontaneamente (na

ausncia de uma fonte de energia externa) porque a soma das massas dos produtos da reao

Th e dos produtos de decaimento menor que a238

energia de repouso do nucldeo original

U . Assim a energia de repouso dos

produtos de decaimento menor que a energia de repouso do nucldeo original. (Walcker, Halliday Resnick, 2007).

Em um processo deste tipo, a diferena entre a energia de repouso inicial e a energia de repouso final chamada de Q da reao :2

Q = Mc

No caso de decaimento de um ncleo atmico, dizemos que a diferena entre as energias inicial e final a energia de desintegrao do ncleo. O Q do238

decaimento a energia liberada pelo decaimento alfa do

U , para este

processo , que aparece na forma de energia cintica para os produtos da reao. (Walcker, Halliday Resnick, 2007). Usamos um modelo no qual a partcula alfa j existe no interior do ncleo antes que ocorra o decaimento. A figura abaixo mostra a energia potencial U(r) do sistema formado pela partcula alfa e o ncleo residual de234

Th em funo de uma distancia r entre dois corpos. Esta energia a soma

de suas parcelas: a energia potencial associada a fora nuclear atrativa que existe no interior do ncleo; a energia potencial associada a fora eltrica (repulsiva) que existe para qualquer distancia entre os dois corpos. (Walcker, Halliday Resnick, 2007).

Decaimento Beta

Quando um ncleo sofre decaimento beta, transforma-se em um ncleo diferente, emitindo um eltron ou um psitron (que uma partcula de carga positiva com a mesma massa que o eltron) A exemplo do decaimento alfa, trata-se de um processo espontneo, com uma energia de desintegrao e uma meia-vida bem definidas. A exemplo ainda do decaimento alfa, o decaimento beta um processo estatstico, que pode ser descrito pelas equaes:

N = N0e

t

e

R = dN = N0 dt

t

No decaimento beta menos (B ) , um eltron emitido por um ncleo como na reao32

P

32

S+e

+

+ v

(T1 = 14,3d) 2+

No decaimento beta mais (B ) , um psitron emitido por um ncleo como na reao:64

Cu

64

Ni + e

+

+ v

(T1 = 12,7) 2

O smbolo v representa um neutrino, uma partcula neutra, de massa nula ou muito pequena, que emitida pelo ncleo juntamente com o eltron ou o psitron no processo de decaimento. Os neutrinos interagem apenas fracamente com a matria, e por esta razo so to difceis de detectar que sua presena passou desapercebida por muito tempo. (Walcker, Halliday Resnick, 2007).

A carga e o nmero de nucleons so conservados nos Dois32

tipos

de

reao.

No

decaimento

da

equao:

P

32

S+e

+

+ v

(T1 = 14,3d) 2

, por exemplo, a carga total a

mesma antes e depois da reao. (+15e)= (+16e) + (-e) + (0)

J que o

possoui 15 prtons,

possui 16 prtons e o neutrino

tem carga zero. O nmero de ncleons antes e depois da reao tambm mesmo: (32)= (32) + (0) +(0).

J que o

possui 32 ncleons e o

possuem 32 nucleons e o

eletron e o neutrino no so nucleons. (Walcker, Halliday Resnick, 2007). Pode parecer estranho que os ncleos sejam capazes de emitir eltrons, psitrons e neutrinos, quando sabemos que contem apenas prtons e nutrons. Entretanto sabido que os tomos so capazes de emitir ftons, embora no seja correto afirmar que os tomos contem ftons. O que acontece que os ftons so criados durante o processo de emisso, e o mesmo se pode dizer dos eltrons, psitrons e neutrinos emitidos pelos ncleos no decaimento beta. No caso do decaimento beta menos, um dos nutrons do ncleo emite um eltron e um neutrino e se transforma em um prton segundo a reao:

n p + e

+ v

No decaimento beta mais, um dos prtons do ncleo emite um psitron e um neutrino e se transforma em um nutron, segundo a reao:

n p + e

+

+ v

Os processos de decaimento beta constituem uma prova de que, como j observamos anteriormente, os prtons e nutrons no so partculas elementares. Examinando as reaes de decaimento, vemos que por meio da massa A de um nuclideo que sofre decaimento beta conservado; neste processo, um nutron se transforma em um prton e vice versa, oque significa que o numero de nucleons permanece constante. (Walcker, Halliday Resnick, 2007).

Tanto o decaimento beta como o decaimento alfa envolvem a liberao de uma certa quantidade de energia. No caso do decaimento alfa, praticamente toda esta energia aparece na forma de energia cintica da partcula alfa emitida No caso de um decaimento beta menos como da equaon p + e

+ v

, porm, a energia de desintegrao pode se dividir, em

diferentes propores, entre a energia do eltron e a energia do neutrino. Em alguns decaimentos, quase toda a energia vai para o eltron, em outros, quase toda a energia vai para o neutrino. Em todos os casos, porm, a soma da energia do eltron com a energia do neutrino igual energia de desintegrao Q. Em um decaimento beta mais como o da Equao:n p + e+

, a energia pode se dividir em diferentes propores entre a energia do

+ v

psitron e a energia do neutrino. (Walcker, Halliday Resnick, 2007). Assim no decaimento beta, a energia cintica dos eltrons ou psitrons emitidos varia desde zero at um certo valor mximo , igual a energia

de desintegrao Q, porque se a energia do neutrino insignificante toda a energia de desintegrao aparece na forma da energia cintica do eltron, ou seja,

Q = Kmx

(Walcker, Halliday Resnick, 2007).

Raios gama

Os raios gama so produzidos na passagem de um ncleon de um nvel excitado para outro de menor energia, e na desintegrao de istopos radioativos. Esto geralmente associados com a energia nuclear e aos reatores nucleares. A radioatividade se encontra no nosso meio natural, desde os raios

csmicos que bombardeiam a Terra, provenientes do Sol, das estrelas e das galxias fora do nosso sistema solar, at alguns istopos radioativos que fazem parte do nosso meio natural.

Ilustrao X: Processo de liberao de radiao (A importncia e os perigos da radioatividade, Disponvel em:

http://www.coladaweb.com/quimica/quimica-nuclear/a-importancia-e-osperigos-da-radioatividade) Acesso em 02/10/2010

fonte: (A importncia e os perigos da radioatividade, Disponvel em: http://www.coladaweb.com/quimica/quimica-nuclear/a-importancia-e-osperigos-da-radioatividade) Acesso em 02/10/2010

O Neutrino

A existncia dos neutrinos foi proposta por Wolfgang Pauli em 1930 no s para explicar a distribuio de energia dos eltrons e psitrons nos decaimentos beta, mas tambm para evitar que a lei de conservao do momento angular fosse violada. (Shechter, Hlio; Bertulani, Carlos, 2007); O neutrino uma partcula que interage apenas fracamente com a matria, o livre caminho mdio de um neutrino de energia na gua da ordem de milhares de anos luz, ao mesmo tempo, os neutrinos gerados no big bang que presuvimelmente assinalou a criao do universo, so as partculas mais

abundantes que a fsica conhece, bilhes deles atravessam a cada segundo o corpo de cada habitante da Terra sem deixar nenhum vestgio. Os neutrinos foram observados pela primeira vez em 1953 por F. Reines e C. L. Cowan entre partculas geradas por um reator nuclear de alta potencia. Apesar das dificuldades de deteco, o estudo dos neutrinos hoje em dia um ramo importante da fsica experimental. As reaes nucleares que ocorrem no Sol produzem uma grande quantidade de neutrinos; noite, estes neutrinos chegam at ns vindos debaixo, j que os neutrinos atravessam a Terra, quase como se ela no existisse. Em fevereiro de 1987, a luz de uma estrela que explodiu na grande nuvem de Magalhes (uma galxia prxima) chegou Terra aps viajar durante 170000 anos. Um nmero gigantesco de neutrinos foi gerado nesta exploso e alguns deles foram capturados por um detector de neutrinos situados no Japo. (Shechter, Hlio; Bertulani, Carlos, 2007) Ilustrao XI Processo de Alimentao das estrelas, processo que libera um neutrino

fonte:(Alimentao

de

uma

estrela,

Disponvel

em

:

). Acesso em 25/10/2010

Datao Radioativa

Se conhecemos a meia-vida de um dado radionuclideo, podemos em principio usar o decaimento deste radionuclideo como um relgio para medir intervalos de tempo. O decaimento de nuclideos de meia vida muito longa pode ser usado para medir a idade das rochas, ou seja, o tempo transcorrido desde que se formaram. No caso das rochas da Terra, da Lua e dos meteoritos, as medidas indicam uma mesma idade mxima, da ordem de , por O radionuclideo40

4,5 x 10 anos.40

9

K por exemplo, transorma em1,25 x 109

Ar , um istopo

estvel do argnio. A meia vida deste decaimento entre o nmero de tomos de40

. A medida razoAr presentes em

K e o numero de tomos de

40

uma rocha pode ser usada para estimar a idade da rocha. Da Outros decaimentos e meia vida longa, como o do235

U para

(que envolve vrios

estgios intermedirios) podem ser usados para confirmar esta estimativa. (Shechter, Hlio; Bertulani, Carlos, 2007)

Os perigos da radiao

O efeito de radiaes como raios gama, eltrons e partculas alfa sobre os tecidos dos seres vivos uma questo de interesse publico. As fontes na turais da radiao so os raios csmicos e os elementos radiotivos presentes na crosta terrestre.

As partculas saem do ncleo radioativo com bastante energia cintica. Ao penetrar na matria, elas transferem energia aos tomos e molculas que encontram, at perder toda a sua energia e parar. Se essa matria for o corpo humano podem ocorrer leses, leves ou mais graves, dependendo da energia das partculas. Essas leses podem ocorrer na pele ou em rgos internos do corpo: com grande energia, a radiao capaz de destruir as molculas que compem esses rgos. O principal problema da radiao formada por partculas carregadas o fato de que elas podem arrancar eltrons dos tomos que constituem o meio por onde passam. Quando o tomo perde eltrons, deixa de ser neutro: ele se transforma num on. Esse fenmeno conhecido como ionizao. Apesar de todos os efeitos negativos da radiao, ela tem tambm aspectos muito positivos. Usada controladamente, pode ajudar no combate de doenas. O caso da radioterapia aplicada ao tratamento de cncer. Primeiro acreditava-se que o tomo era indivisvel. Ento descobriu-se que ele tem um ncleo e os eltrons. Depois descobriu-se que tambm o ncleo tem uma estrutura, sendo formado por prtons e nutrons. Fisso Nuclear

A fisso pode ser explicada pelo modelo coletivo, que se baseia em uma analogia entre o ncleo e uma gora carregada eletricamente e dotada de uma certa energia de excitao. Para que a fisso ocorra, os fragmentos devem vencer uma barreira de potencial; por isso, preciso que a energia d Excitao

Eb .Os neutrons liberados Durante a fisso tornam possvel uma reao emcadeia. Processo de fisso: Ilustrao XII Fisso nuclear ((Walcker, Halliday Resnick, 2007).

Reao em cadeia Ilustrao XIII Reao em cadeia

fonte:___Portal So Francisco, Reao em cadeia Disponvel em

Fuso Nuclear

A fuso nuclear consiste na unio de dois ncleos leves, um processo que libera energia, um processo que inibido pela barreira Coloumb, pois cargas iguais se repelem. A fuso de tomos em grande escala s acontece se a temperatura for suficientemente elevada para que os ncleos venam a barreira por tunelamento. (Walcker, Halliday Resnick, 2007).

A principal energia do Sol a queima termonuclear de hidrognio para forma o hlio no ciclo prton-prton. Elementos com massa A de at aproximadamente 56 podem ser produzidos por outros processos de fuso depois que o suprimento de hidrognio de uma estrela se esgota. (Walcker, Halliday Resnick, 2007).

Ilustrao XIV- Fuso Nuclear

Fonte:

(Portal

So

Francisco

Disponivel

em

:

A fuso termonuclear no Sol e em Outras estrelas

O Sol irradia uma potencia a ordem de 3,9 x 10 W e vem fazendo isso a bilhes de anos. A origem desta energia fonte estudos atualmente, dentre as possibilidades: reaes qumicas esto fora de cogitao, pois se o Sol fosse feito de carvo e oxignio, o carvo se esgotaria em menos de 1000 anos, outra possibilidade a de que o Sol esteja encolhendo lentamente por ao da prpria fora gravitacional. Transformando energia potencial gravitacional em energia trmica, o Sol poderia produzir energia durante muito mais tempo. Mesmo assim os clculos mostram que o tempo de vida associado a este mecanismo seria muito menor que a idade do Sol. A nica possibilidade

27

que resta a fuso termonuclear. O Sol no queima carvo e oxignio e sim hidrognio, e o faz em uma fornalha nuclear e no em uma fornalha qumica. A reao de fuso que ocorre no Sol ocorre em vrias etapas, no qual o hidrognio se transforma m hlio; o hidrognio pode ser considerado o combustvel e o hlio as cinzas, este processo realizado pelo ciclo prtonprton (p-p) do processo de fuso. O ciclo p-p comea com a coliso de dois prtons ( H + H) para formar um duteron H , com a criao simultnea de um psitron e (v). O psitron, logo encontra um eltron livre e dois raios gama ( ). Estes ventos so extremamente raros; na verdade apenas uma em cada10 colises prton-prton leva a formao de um duteron, na maioria dos26 2 +

1

1

e um neutrino

no Sol e as duas partculas

se aniquilam mutuamente, com a transformao de sua energia de repouso em

casos, os dois prtons ricocheteiam um no outro. a lentido deste processo crtico que regula a potencia produzida e impede que o Sol seja consumido em uma violenta exploso. Apesar da baixa probabilidade desta reao, existm tantos prtons no Sol que os duterons so produzidos na razo de 10 kg/s. Quando um duteron produzido, logo colide com um prton para formar um ncleo de He ocasionalmente se encontram (o tempo mdio para que isso ocorra 10 anos, um tempo relativamente curto) para formar uma partcula alfa ( He ), dois prtons, como mostra a segunda equao abaixo:4 H + 2e1

12

3

5

4

4

He + 2v + 6

Acrescentando dois eltrons em ambos os membros da equao, obtemos:1 4

(4 H + 4e )

( He + 2e ) + 2v + 6

As grandezas entre parnteses representam tomos (e no nucleos) de hidrognio e hlio. Isto nos permite calcular a energia liberada pela reao da equao como:

Q = mc

2

= [4,002603u (4(1,007825 u))][931,5MeV] = 26,7MeV

Onde 4,002603u a massa d um tomo de hlio e 1,007825u a massa de um tomo de hidrognio. Os neutrinos tem massa de repouso nula ou insignificante, e a massa de repouso dos raios zero, assim; Q= (2)(0,42MeV) + (2)(1,02MeV) + 2(5,49Mev) + 12,86Mev =26,7Mev. Cerca de 0,5MeV desta energia removida pelo Sol pelos dois neutrinos que aparecem nas equaes acima, o resto incorporado ao centro no Sol na forma de energia trmica. Esta energia trmica irradiada para o espao, na forma de ondas eletromagnticas, entre elas a da luz visvel. A queima de hidrognio vem acontecendo no Sol h mais ou menos cinco bilhes de anos, e os clculos mostram que existe hidrognio suficiente para mais uns cinco bilhes de anos. Depois deste tempo, a parte central do Sol, que esta altura ser constituda principalmente de hlio comear a esfriar e Sol sofrer um processo de encolhimento por causa de sua prpria gravidade. Isto aumentar a temperatura e far as camadas externas se expandirem, transformando o Sol em uma gigante vermelha.

Se a temperatura no centro do Sol chegar de novo a 10 K, o processo de fuso comear de novo, mas desta vez queimando hlio para produzir carbono. Quando uma estrela evolui e aquece ainda mais, outros elementos podem ser formados por outras reaes de fuso. Entretanto elementos mais pesados como ferro e nquel, no podem ser formados por reaes de fuso.

8

Acredita-se que ests elementos sejam produzidos por captura de nutrons durante as exploses de estrlas conhecidas como supernovas. Neste tipo de evento, a camada externa de uma estrela ejtada para o espao sideral, onde se mistura com o meio tnue que existe entre as estrelas se formam por condensao sob influencia da fora gravitacional. A abundancia na Terra de elementos mais pesados que o hidrognio e o hlio sugere que nosso sistema solar se condensou a partir de uma nuvem interestelar eu continha os restos destas exploses. Assim todos os elementos a nossa volta, incluindo aqules que feito o nosso corpo, foram produzidos no interior de estrelas que no existem mais. Como afirmou um cientista, Na verdade somos filhos das estrelas.

Fuso Termonuclear

Existe um excesso de energia quando dois ncleos leves se combinam para formar um ncleo mais pesado, um processo chamado fuso nuclear. Em condies normais este processo impedido pela repulso de Coloumb entre duas partculas de mesma carga, que impede que dois ncleos se aproximem o suficiente para que a interao forte predomine, promovendo a fuso. A altura desta barreira depende das cargas e dos raios dos dois ncleos. (Walcker, Halliday Resnick, 2007). Para que seja gerada uma quantidade significativa de energia, preciso produzir um nmero grande de fuses em curto perodo de tempo. Isto conseguido aumentado-se a temperatura do material at que os ncleos tenham energia suficiente, graas a agitao trmica, para vencer a barreira de

Coloumb. Este processo chamado fuso termonuclear. (Walcker, Halliday Resnick, 2007). Em estudos deste tipo, a temperatura geralmente expressa em termos de energia cintica K das partculas envolvidas, atravs da relao: K=T, onde K a enrgia cintica que corresponde a velocidade mais provvel das partculas, a constante Boltzmann e T a temperatura m Kelvins. (Walcker, Halliday Resnick, 2007). A temperatura ambiente K corresponde aproximadamente a 0,03v; uma partcula com esta energia totalmente incapaz de superar uma barreira da ordem de 400Kev. Mesmo no centro do Sol, onde T = 1,3 KeV, a situao no parece favorvel a fuso nuclear, Entretanto, sabemos que a fuso nuclar no s acontece no centro do Sol, como o processo mais importante de gerao de energia em qualquer estrela. (Walcker, Halliday Resnick, 2007). A aparente contradio desaparece por conta de dois fatos: 1) Que K= T a das partculas com velocidade mais provvel, essa distribuio inclui partculas com velocidades muito maiores e portanto energia muito maiores. 2) As partculas no precisam ter uma energia maior que a altura da barreira para atravess-la, o tunelamento Pode ocorrer em energias bem menores. (Walcker, Halliday Resnick, 2007).

Fuso Nuclear controlada

Uma fonte constante e controlada de energia de fuso (um reator de fuso usado para gerar energia eltrica, por exemplo, um objetivo muito mais difcil de ser atingido. Mesmo assim, esta meta ativamente perseguida em vrios pases do mundo, j que muitos consideram o reator de fuso a fonte de energia do futuro, pelo menos para a produo de eletricidade. (Walcker, Halliday Resnick, 2007). O ciclo p-p, mostrado na fuso termonuclear que ocorre no Sol, no funciona neste tipo de aplicao porque excessivamente lento. O processo funciona bem no Sol, por causa da enorme concentrao de prtons que existe

no centro do astro. As reaes mais promissoras para o uso terrestre parecem ser duas reaes duteron-duteron (d-d), e a reao duteron-trtio. (d-t). Reao (d-d):2 2 3

H +

H

He + n

(Q = + 3,27MeV),

Reao (d-t):2

H +

2

H

3

He +

1

H (Q = + 4,03MeV)

2

H +

3

H

4

He + n (Q = + 17,59MeV)

A abundancia isotpica do deutrio, a fonte de deuterons para estas reaes, de apenas de 1 parte m 6700, mas este istopo do hidrogenio pode ser extrado em quantidades praticamente ilimitadas da gua do mar. Os defensores da energia nuclear argumentam que depois que os combustveis fsseis se esgotarem, teremos apenas duas escolhas: queimar pedra (fisso do urnio extrado das rochas) ou queimar gua (fuso do deutrio extrado da gua). (Walcker, Halliday Resnick, 2007). Reatores Nucleares

Ilustrao XVI Reator Nuclear (Unicamp, Disponvel em Usinas nucleares > Acessado em 01/11/2010

Fonte:

(Unicamp,

Disponvel

em

Usinas

nucleares

> Acessado em 01/11/2010

Definio

Para que o processo de fisso libere grandes quantidades d energia, preciso que um evento de fisso produza outros eventos, fazendo o processo se espalhar pelo combustvel nuclear como o fogo em um pedao de madeira. O fato de dois ou mais nutrons serem liberados em cada evento essencial para a ocorrncia deste tipo de reao em cadeia, no qual cada nutron produzido tem a possibilidade d causar uma nova fisso. A reao pode ser explosiva (como em uma bomba atmica) ou controlada como em um reator nuclear. (Walcker, Halliday Resnick, 2007). Reator nuclear uma cmara de resfriamento hermtica, blindada contra a radiao, onde controlada uma reao nuclear para a obteno de energia, produo de materiais fissionveis como o plutnio para armamentos nucleares, propulso de submarinos e satlites artificiais, pesquisas e principalmente gerao de energia. (Walcker, Halliday Resnick, 2007). Uma central nuclear pode conter vrios reatores. Atualmente apenas os reatores nucleares de fisso so empregados para a produo de energia comercial, porm os reatores nucleares de fuso esto sendo empregados em fase experimental. (Walcker, Halliday Resnick, 2007). De uma forma simples, as primeiras verses de reator nuclear produzem calor dividindo tomos, diferentemente das estaes de energia convencionais, que produzem calor queimando combustvel. O calor produzido serve para ferver gua, que ir fazer funcionar turbinas a vapor para gerar eletricidade. (Walcker, Halliday Resnick, 2007). Um reator produz grandes quantidades de calor e intensas correntes de radiao neutrnica e gama. Ambas so mortais para todas as formas de vida mesmo em quantidades pequenas, causando doenas, leucemia e, por fim, a morte. O reator deve estar rodeado de um espesso escudo de cimento e ao, para evitar fugas prejudiciais de radiao. As matrias radioativas so manejadas por controle remoto e armazenadas em contentores de chumbo, um excelente escudo contra a radiao. (Walcker, Halliday Resnick, 2007).

Reator de fuso nuclear tokamak

O tokamak o engenho mais promissor, at o momento, para a obteno da fuso termonuclear. Consiste num toride (formato de um pneu de carro) no qual uma cmara de vcuo contm um anel de plasma confinado por campos magnticos retorcidos. Configurao de um tokamak - Uma corrente eltrica transitria que circula na bobina primria de um tokamak induz no anel de plasma uma corrente, que servir tanto para aquec-lo como para produzir um campo magntico poloidal. O outro componente importante do campo magntico corresponde ao campo magntico toroidal, gerado por correntes eltricas que circulam nas bobinas de campo toroidal ao redor do toride. Alm disso, correntes que circulam nas bobinas de controle de posio geram campos magnticos auxiliares que modificam o campo poloidal, equilibrando o anel de plasma e controlando sua posio dentro da cmara. A combinao dos campos poloidal e toroidal conduz ao confinamento adequado do plasma em tokamaks.

Ilustrao XV Tokamaks

Fonte:

(Disponvel

em

>) acesso em 20/10/2010 Aquecimento de plasma - A maneira mais eficiente de aquecer o plasma num tokamak fazer com que circule atravs dele uma corrente induzida pela bobina primria. Esta bobina representa o circuito primrio de um transformador no qual o anel de plasma constitui o circuito secundrio. Funciona como um aquecedor eltrico onde o calor gerado depende da intensidade da corrente e da resistncia eltrica. Entretanto, a resistividade do plasma diminui medida que sua temperatura aumenta, tornando o processo de aquecimento menos eficiente. A temperatura mxima que pode ser atingida em tokamaks por aquecimento resistivo (aquecimento hmico) de aproximadamente 3107 K, duas vezes maior que a temperatura no centro do Sol, mas que menor do que a necessria para fazer com que um reator funcione, aproximadamente 108 K. Em experimentos que utilizam mquinas do tipo tokamak, tcnicas de aquecimento auxiliar tem sido utilizadas para atingir temperaturas de at 5108 K (mais que 30 vezes a temperatura no centro do Sol). Os dois mtodos principais de aquecimento adicional consistem na injeo de feixes de partculas neutras de alta energia e de ondas de radiofreqncia de vrios tipos.

Elementos fundamentais de um reator nuclear

Combustvel, sistema de controle, sistema de refrigerao, blindagem e, em muitos casos, um moderador. Um nutron recem-produzido numa reao nuclear de fisso se movimenta a 16000 km/s. Se ele colidir com um tomo de urnio 235, provocara a fisso. Acontece porem que no urnio natural existe apenas um tomo de urnio 235 para cada 140 tomos de urnio 238. Logo e muita pequena a probabilidade de um nutron rpido atingir um tomo de urnio 235, e produzir fisso. mais provvel que isso acontea no caso de um nutron se movimentar a aproximadamente a 1,6 km/s. (Walcker, Halliday Resnick, 2007).

Maneiras de construir um reator nuclear

H, ento, duas maneiras de se construir um reator. Ou os nutrons velozes so transformados em lentos, ou se aumenta fortemente a proporo dos tomos fsseis. Um moderador diminui a velocidade dos nutrons, sem absorv-los. tomos leves, como o hidrognio (na gua), o deutrio (na gua pesada) e o carbono (na grafita), so bons moderadores. Os nutrons lentos so chamados de nutrons trmicos. O mesmo nome e tambm usado para designar os reatores que usam moderadores. (Walcker, Halliday Resnick, 2007).

Requisitos que deve atender um reator termonuclear

1) Uma alta concentrao de partculas n. A concentrao de partculas (nmero de duterons por unidade de volume, digamos) deve ser suficiente para assegurar um grande nmero de colises por unidades de tempo. Nas altas temperaturas utilizadas, o deutrio certamente estar totalmente ionizado, formando um plasma (gs ionizado) de deuterons e eltrons. (Walcker, Halliday Resnick, 2007). 2) Uma alta temperatura do plasma, T. O plasma deve estar muito quente, caso contrrio os deuterons no tero energia suficiente para vencer a barreira de coloumb que tende a mante-los afastados. Uma temperatura de plasma de 35KeV, correspondente a 4 x 10 K , j foi conseguida em laboratrio, trata-se de uma temperatura 30 vezes maior que a do centro do Sol. (Walcker, Halliday Resnick, 2007). 3) Um longo tempo de confinamento,8

. Um problema difcil manter o

plasma durante um tempo suficiente para que as reaes de fuso ocorram. evidente que nenhum recipiente slido poderia suportar as altas temperaturas necessrias para a fuso, de modo que preciso usar outras tcnicas de confinamento. (Walcker, Halliday Resnick, 2007).

possvel demonstrar eu para um reator termonuclear baseado na reao d-t produza mais energia que consome preciso que:20 10 s 3 m . n >

(Walcker, Halliday Resnick, 2007). Reatores rpidos

Reatores rpidos so aqueles que empregam nutrons rpidos para manter a reao em cadeia. Eles usam combustvel na proporo em que o material fssil aumenta consideravelmente, mediante a adio de plutnio 239, ou mais urnio 235. (Unicamp, Disponvel em Usinas nucleares

> Tanto nos reatores trmicos quanto nos rpidos, a 'populao' de nutrons, que mantm a reao em cadeia, e controlada mediante materiais que facilmente absorvem o nutron, como o cdmio, o hfnio e o boro, comumente usados em forma de barras. Essas barras so introduzidas no reator e absorvem os nutrons, desacelerando, por conseguinte, a reao e reduzindo a sada de energia do reator. Se as barras forem removidas, a reao se acelera novamente. Mas as barras so colocadas em posio tal que permitam ao reator produzir uma taxa de reao estacionaria. (Unicamp, Disponvel em Usinas nucleares

> A maior parte da energia produzida pela fisso dos tomos e liberada em forma de calor. Para aproveitar esse calor, e preciso transport-lo, mediante um lquido refrigerante, percorrendo o centro do reator, normalmente para transferir o calor para uma caldeira, onde se produz vapor. Imensas quantidades de calor so geradas nos poderosos reatores usados para produzir eletricidade ou para impulsionar submarinos. E evidente que o sistema de refrigerao deve ser muito eficiente para garantir que no ocorra super aquecimento, e muito menos a fuso do ncleo. Os elementos refrigerantes devem ser baratos e no-corrosivos e, por outro lado, no devem absorver nutrons. Entre eles se incluem gases como o dixido de carbono e hlio,

lquidos como a gua comum, a gua pesada, alguns compostos orgnicos e ainda alguns metais lquidos, como o sdio. Algumas vezes, a funo de refrigerante e moderador exercida por um s moderador, como, por exemplo, a gua natural. (Unicamp, Disponvel em Usinas nucleares

> Uma blindagem se faz necessrio para proteger o pblico e os operadores do reator contra os nutrons e os raios gama emitido pelos produtos de fisso. O tipo de blindagem mais freqente o formado por um paredo de concreto com vrios metros de largura. Frequentemente, por dentro desse paredo, coloca-se ainda uma chapa ao para reduzir a velocidade dos nutrons rpidos que a atravessam, diminuindo a energia liberada do concreto. A exigncia fundamental para se construir um reator a de haver uma quantidade crtica de combustvel, isto , matria fssil suficiente e j disposta de maneira tal que se possa manter uma reao em cadeia. Se a massa fssil for pequena demais, ou estiver disposta de maneira errada, ho de fugir muitos nutrons e a reao em cadeia e a reao em cadeia ser incapaz de auto sustentar-se. Outro fator que deve ser tomado em considerao e a absoro dos nutrons por parte dos materiais da estrutura, pelo lquido refrigerante e por materiais no fsseis no combustvel. Diz-se que se atingiu o ponto crtico, quando a reao em cadeia se auto-sustenta. Geralmente, para iniciar uma reao em cadeia, necessrio recorrer a uma fonte artificial de nutrons. (Unicamp, Disponvel em Usinas nucleares

>

Ilustrao XVII Reator rpido (Unicamp, Disponvel em Usinas nucleares > Acesso 01/11/2010

Reatores Magnox

A primeira usina eltrica nuclear do mundo usou reatores refrigerados a gs. Construda em Calder Hall, Cumberland, Inglaterra, entrou em funcionamento em outubro de 1956. Seus quatro reatores foram os precursores de uma srie de outros, tambm refrigerados a gs, construdos na Inglaterra e em outros pases para produzir eletricidade. A produo eltrica de Calder Hall de 180MW. No entanto, esse tipo de reator passou por notveis aperfeioamentos em cada uma das novas usinas que se construram. A usina que est em construo em Wylfa Point, Anglesey, produzir 1180MW, com seus reatores geminados. Disponvel em Ilustrao XVII Reator rpido (Unicamp, Usinas nucleares Acesso

> 01/11/2010

Todos esses reatores usam urnio natural como combustvel. O urnio est presente em forma de barras, embaladas em caixas feitas com uma liga de magnsio. Essa liga chamada magnox, de onde se deriva o nome dado a esse tipo de reatores. O invlucro de magnox feito em forma de escamas, a fim de facilitar a transferncia de calor para o gs refrigerante. Ilustrao XVII Reator rpido (Unicamp, Disponvel em Usinas nucleares Acesso

> 01/11/2010

Moderador constitudo de grafita, e tem a forma de uma retcula quadrada de tijolos, atravessada por canais verticais. As barras de combustvel so empilhadas nesses canais, umas em cima das outras; alguns dos canais so ocupados por barras de controle feitas de ao e boro. O elemento refrigerador - gs de dixido de carbono - flui atravs dos canais e sobre o material combustvel. O ncleo de um reator refrigerado a gs circundado por um refletor de grafita que faz retroceder uma parte dos nutrons que escapam do reator. O elemento refrigerador, que absorve o calor do reator (a uma temperatura entre 350 e 400C) usado para produzir vapor de gua para o turbo gerador. O gs que sai do permutador de calor mandado de volta para

o reator por meio de ventiladores muito potentes. Uma blindagem de cimento, construda ao redor do reator, protege os operadores e o pblico. O permutador de calor no est protegido com uma blindagem biolgica, porque o dixido de carbono no se torna radioativo, embora passe atravs do ncleo do reator. Ilustrao XVII Reator rpido (Unicamp, Disponvel em Usinas nucleares > 01/11/2010 Acesso

Em sua maior parte, esses reatores refrigerados a gs dispem de aparelhagem muito complexa, colocada na parte superior, que os reabastece automaticamente durante o funcionamento. Ilustrao XVIII Reator magnox

Fonte:

(Unicamp,

Disponvel

em

Usinas

nucleares Acesso

> 01/11/2010

Reatores gua fervente

Nos reatores a gua fervente, esta o liquido refrigerador e tambm o moderador, mas no esta sobre presso, e ferve no reator. O BWR portanto, assemelha-se a uma chaleira nuclear, cuja fonte de calor um combustvel constitudo de xido de urnio enriquecido, em liga de zircnio. O vapor passa diretamente da parte superior do reator para os turbo-geradores. O BWR um reator relativamente simples. No possui permutadores de calor, e seu retentor de presso deve suportar presses muito menores do que as de um PWR, tendo por isso paredes mais delgadas. Ilustrao XVII Reator rpido (Unicamp, Disponvel em Usinas nucleares

> 01/11/2010

Acesso

O BWR, no entanto, passou por uma srie de modificaes, destinadas a superar o problema caracterstico desse tipo de reatores. Quando a gua ferve no ncleo do reator, as bolhas que se formam modificam as propriedades de moderador e absorvente do refrigerador moderador, afetando, alm disso, a transferncia de calor obtida do combustvel. Para solucionar esses problemas, grande parte da gua bombeada para fora do ncleo e recolocada em um ponto de temperatura mais baixa. Ilustrao XVII Reator rpido (Unicamp, Disponvel em Usinas nucleares Acesso

> 01/11/2010

A aceitao dos BWR sofreu um atraso motivado por dvidas quanto sua segurana, mas elas forma selecionadas por meio de uma espetacular srie de experincias. As dvidas surgiram porque o efeito da formao de bolhas no ncleo do reator era aparentemente imprevisvel. Ao mesmo tempo ficou demonstrado que se o reator atingisse tal grau de reatividade que pudesse fazer explodir uma parte do seu ncleo, as bolhas tambm se formariam com rapidez suficiente para interromper a reao antes mesmo que os componentes sassem do reator. Ilustrao XIX Reator a gua fervente (Unicamp, Disponvel em Usinas nucleares Acesso

> 01/11/2010

Reatores a gua pesada

A gua pesada um moderador melhor do que a gua comum (leve), pois absorve muito menos nutrons e os deixa se movimentarem mais tempo antes que eles adquiram energias trmicas. Em conseqncia disso, os elementos de combustvel podem ser postos a alguns centmetros uns dos outros, o que torna o ncleo menos compacto, ao passo que, nos reatores a gua comum, tais elementos devem ser separados apenas por alguns milmetros. H dois modos diferentes de construir reatores a gua pesada. Um deles usa de recipiente de presso; o outro, tubos de presso. No segundo tipo, o moderador de gua pesada fica separado do elemento refrigerador, dentro de um grande recipiente provido de tubos. Os tubos de presso, inseridos nos tubos do recipiente, contm o combustvel. E o elemento refrigerador, que

pode ser a gua comum, gua pesada, gs, vapor, entre outros; passa por entre os tubos de presso. Ilustrao XX Reator a gua pesada (Unicamp, Disponvel em Usinas nucleares > Acesso 01/11/2010

Aplicao na cincia tecnologia

A fuso nuclear tem sido estudada para uso militar, como a engenharia de bombas atmicas, energia nuclear e tambm para obtermos respostas sobre nossa origem, pois os elementos que compem a matria vieram de grandes exploses de estrelas, que realizavam o processo de fuso nuclear para aumentar sua energia trmica. A primeira reao termonuclear terrestre aconteceu no atol de Eniwetok em 1 de novembro de 1952, quando os Estados Unidos detonaram uma bomba de fuso, liberando uma energia equivalente a 10 milhes de toneladas de TNT. As altas temperaturas foram conseguidas usando uma bomba de fisso como espoleta. A Medicina nuclear uma especialidade mdica que utiliza tcnicas seguras e indolores para formar imagens do corpo e tratar doenas. A medicina nuclear nica por revelar dados sobre a anatomia e a funo dos rgos, ao contrrio da radiologia, que tipicamente mostra apenas estrutura anatmica dos rgos. uma maneira de coletar informaes de diagnstico mdico que, de outra forma, no estariam disponveis, requereriam cirurgia ou necessitariam de exames de diagnstico mais caros. Os exames de medicina nuclear freqentemente podem detectar precocemente anormalidades na funo ou estrutura de um rgo no seu corpo. Esta deteco precoce possibilita que algumas enfermidades sejam tratadas nos estgios iniciais, quando existe uma melhor chance de prognstico bem sucedido e recuperao do paciente. Os exames de medicina nuclear so benficos para estudar danos fisiolgicos a seu corao, restrio do fluxo sangneo ao crebro, alm do funcionamento de outros rgos como a tireide, rins, fgado e pulmes. Tambm tem usos teraputicos valiosos como o tratamento do hipertireoidismo e alvio da dor para certos tipos de cncer dos ossos. Em geral, existe quase uma centena de diferentes exames de medicina nuclear hoje disponveis, incluindo estudos cerebrais, diagnstico e tratamento de tumores, avaliao das condies dos pulmes e corao, anlise funcional dos rins e de todos os sistemas dos principais rgos do corpo.

Existe o risco de acidentes nucleares como ocorreu em Chernobil em 1986, segundo a CNEN(Comisso Nacional de Energia Nuclear), reatores nucleares so dispositivos seguros e so remotas as possibilidades de acidentes, o de Chernobil, ocorreu devido a falha humana e falta de treinamento do pessoal da operao: O Reator estava parando para manuteno peridica anual, estavam sendo feitos testes na parte eltrica com o Reator quase parando, isto ,funcionando baixa potncia. Para que isso fosse possvel, era preciso desligar o sistema automtico de segurana, caso contrrio, o Reator poderia parar automaticamente durante os testes, o que eles no desejavam. Os reatores deste tipo no podem permanecer muito tempo com potncia baixa, porque isso representa riscos muito altos. Ainda assim, a operao continuou desta forma. Os operadores da Sala de Controle do Reator, que no so treinados segundo as normas internacionais de segurana, no obedeceram aos cuidados mnimos, e assim, acabaram perdendo o controle da operao. A temperatura aumentou rapidamente e a gua que circulava nos tubos foi total e rapidamente transformada em vapor, de forma explosiva. Houve, portanto, uma exploso de vapor, que arrebentou os tubos, os elementos combustveis e os blocos de grafite. A exploso foi to violenta que deslocou a tampa de concreto e destruiu o teto do prdio, que no foi previsto para agentar tal impacto, deixando o reator aberto para o meio ambiente. Como o grafite aquecido entra em combusto espontnea, seguiu-se um grande incndio, arremessando para fora grande parte do material radioativo que estava nos elementos combustveis, danificados na exploso de vapor. O domnio dessa tecnologia tambm usado como uma ferramenta de militar, como fez os Estados Unidos na segunda guerra mundial, quando foram usadas bombas atmicas baseadas na fisso de e , para atingir as

cidades japonesas de Hiroshima e Nagazaki, o que um risco para o planeta, sendo as conseqncias de uma guerra nuclear, praticamente irreversveis. A energia nuclear tambm de grande utilidade na agricultura, com o uso de traadores radioativos, possvel acompanhar o metabolismo das

plantas, verificando o que elas precisam para crescer, o que absorvido pelas razes e pelas folhas e onde um determinado elemento qumico fica retido. Na indstria, a aplicao de radioistopos mais conhecida na industria a radiografia de peas metlicas ou gamagrafia industrial, que consiste na impresso de radiao gama em filme fotogrfico. Os fabricantes de vlvula usam a gamagrafia, na rea de controle de qualidade, para verificar se h defeitos ou rachaduras no corpo das peas. Ilustrao XXI Gamagafia (____Comisso Nacional de Energia Nuclear (Energia Nuclear, Disponvel em:

http://www.cnen.gov.br/ensino/apostilas/energia.pdf) Acesso em 20/10/2010.

As empresas de aviao fazem inspees freqentes nos avies, para verificar se h fadiga nas partes metlicas e soldas essenciais sujeitas a maior esforo (por exemplo, nas asas e turbinas) usando gamagrafia. Ilustrao XXII Gamagafia (____Comisso Nacional de Energia Nuclear (Energia Nuclear, Disponvel em:

http://www.cnen.gov.br/ensino/apostilas/energia.pdf) Acesso em 20/10/2010.

Para ter-se indicao de nvel de um lquido em um tanque, coloca-se uma fonte radiativa em um dos lados e, no lado oposto, um detector ligado a um dispositivo (aparelho) de indicao ou de medio. Quando o lquido alcana a altura da fonte, a maior parte da radiao emitida pela fonte absorvida por ele e deixa de chegar ao detector, significando que o lquido atingiu aquele nvel. O mesmo artifcio serve para indicar um nvel mnimo de lquido desejado em um tanque . Nesse caso, a fonte e o detector devem ser colocados na posio adequada e,quando o lquido atingir esse ponto, deixar de absorver a radiao, que chegar ao detector com maior intensidade. A Indstria Farmacutica utiliza fontes radioativas de grande porte para esterilizar seringas, luvas cirrgicas, gaze e material farmacutico descartvel, em geral. Seria praticamente impossvel esterilizar, pelos mtodos

convencionais que necessitam de altas temperaturas, tais materiais, que se deformariam ou se danificariam de tal forma que no poderiam ser mais utilizados.

Exemplos de produtos esterilizados atravs da irradiao: Ilustrao XXIII Esterilizao atravs de radiao (____Comisso Nacional de Energia Nuclear (Energia Nuclear, Disponvel em:

http://www.cnen.gov.br/ensino/apostilas/energia.pdf) Acesso em 20/10/2010.

Em geral, acrescenta-se um sistema de alarme, para soar ao ser atingido esse nvel. No caso de indicao de nvel mximo ocorrer o contrrio, isto , a radiao chegar ao detector com menor intensidade.

Impactos produzidos

Os impactos produzidos a sociedade so muitos que vo desde uma nova forma de energia at uma nova concepo da Fsica e sobre nossa origem, conhecimento da estrutura da matria, uma viso de sustentabilidade maior ao ser humano, pois nosso planeta sensvel, e qualquer atitude irresponsvel com essa tecnologia pode ser irreversvel, at aplicaes como a gerao de energia eltrica utilizada com este processo, aplicaes na medicina e tecnologia para uso militar, como na produo de bombas atmicas, agricultura e indstria. A energia um fator crtico em nossa sociedade, pois est altamente associada produo, sem ela, a economia de qualquer pas vai ao colapso, atualmente temos muitos problemas com a queima de combustveis fsseis, problemas de ordem ambiental, pois o processo gera alta emisso de (dixido de carbono), limitao desses recursos na natureza, o que gera conflitos tnicos pelo poder dos mesmos, diante desses problemas, so necessrios estudos de viabilidade para novas solues, neste segmento est fuso nuclear, que um fascinante processo pelo qual as estrelas adquirem a energia trmica que nos transportada por ondas eletromagnticas, entre elas as da luz visvel. Esta nova forma de pensar sobre a fsica que abre uma nova vertente sobre o raciocnio que se tinha de como surgiu o nosso Universo antes de sua descoberta, promove mais que um choque de novidade tecnolgica que pode ser a soluo do problema energtico num futuro prximo, mas tambm um choque cultural, em um aspecto antropolgico, nos faz compreender a lgica de como viemos a existncia, de como os princpios que regem o funcionamento do Universo astronmico regem tambm o mundo subatmico, que, alis, um ramo muito estudado atualmente com a teoria das cordas em que as bases matemticas so bastante consistentes, porm o entendimento prtico complexo, pois assim como o sonho de Einstein de conciliar as leis gravitacionais com as eletromagnetismo prevem uma quantidade de dimenses que so consideradas impossveis a nossa viso, seria como imaginar Universos paralelos, uma viso ainda difcil, para ns, limitados seres

humanos, que fomos jogados aqui sem um manual de instrues e por ns mesmos temos que descobrir as leis que constituem o Universo e nosso meio. Nos faz pensar que cada um de ns um Universo e que ainda h muito a ser aprendido, seja de constituio da partcula mais remota ou a formao da grandeza do Universo, nos estipula lgicas para serem desenvolvidas filosofias que se adaptem a esse aprendizado e a essas novas leis, extinguindo alguns dogmas religiosos, utilizando a pura lgica como argumentao ou fortalecendo a f em alguns casos, mediante tamanha perfeio matemtica das leis que regem o Universo. Nos faz viajar em muitas hipteses e at simular situaes parecidas com o big bang, como o LHC que est sendo testado para realizar o processo com uma energia menor e assim descobriremse mais aspectos do primeiro momento de existncia do Universo, tambm promove um conhecimento sobre o funcionamento de nosso Universo, como o conhecimento da idade das estrelas, inclusive do Sol, que a nossa principal fonte de energia, e quanto tempo ainda resistir, explica as alteraes em elementos que promovem a transformao em outros atravs do decaimento radiotivo de elementos instveis que se alteram para elementos com configuraes diferentes e estveis, explicando o processo de formao da matria de nosso Universo, mas tambm proporciona novos problemas a serem resolvidos, nesta fascinante viagem sem limites que pode abranger tanto a grandeza de nosso infinito Universo ou na partcula mais remota de nosso interior. Quanto aos aspectos positivos do uso desta tecnologia, so muitos, pois a forma de energia mais compacta que existe no planeta, no libera dixido de carbono nosso planeta possui matria para gerao de energia por

um longo perodo de tempo, uma vez que o deutrio um elemento que tem em grande escala em nosso planeta, mas necessrio um alerta, no se tem um domnio pleno dessa tecnologia ainda, necessrio investimentos em pesquisa e formao de profissionais capacitados a trabalhar com essa tecnologia, pois, pode-se tirar lies de acidentes nucleares como o de Chernobil, em que as conseqncias a qualquer forma de vida so devastadoras, ento para ampliao de um processo como esse, necessita-se de Mao de obra especializada, dando margem a uma nova rea de estudo,

dessa forma, o estado precisa criar estrutura para formar gente capacitada a atuar neste segmento. Os impactos produzidos so muitos, pois um novo segmento para estudo, que muito abrangente, envolve muitas reas de conhecimento, assim as tecnologias a serem desenvolvidas para o domnio completo dessa nova ferramenta ainda esto em fase de desenvolvimento, portanto a pesquisa neste se faz importante, pois o mesmo de grande relevncia publica.

Efeitos do trabalho na formao do aluno

O presente trabalho foi de grande importncia para nossa formao, pois nos deu a possibilidade de aprender sobre uma tecnologia que ser utilizada futuramente, nos deu uma viso de como elaborar um trabalho, seguindo etapas de pesquisa, planejamento, organizao e execuo, foi importante, tambm para conciliar com disciplinas j estudadas e formar bases matemticas e cientificas para a compreenso do assunto. A abrangncia de assuntos que se mostram relacionados a fuso nuclear e reatores de fuso nuclear enorme, portanto, no um trabalho que nos faz pensar no processo de fuso separadamente, pois para entende-lo, se faz preciso a compreenso de muitos outros fundamentos de fsica nuclear, fato que enriquece o conhecimento do aluno, fazendo aprender no processo como um todo, em que cada parte envolvida tem uma importncia e gera outros processos, causando assim um entendimento completo dos processos envolvidos. Outro impacto o desafio que um tema to abrangente provoca, pois numa sria to extensa de processo, variveis de percurso e hipteses ocorre uma excitao ao aluno a ler e tentar desvendar os cdigos de geniais cientistas que a humanidade teve, pois o assunto como dito anteriormente, alm de ser algo de utilidade pblic