A energia nuclear

2K.2aA conversão massa-energia

A energia liberada quando um núcleo radioativo decai pode ser calculada comparando-se as massas dos reagentes e dos produtos nucleares. A teoria da relatividade de Einstein diz que a massa de um objeto é uma medida de seu conteúdo de energia. Quanto maior for a massa de um objeto, maior será sua energia. Mais especificamente, a energia total, $E$, e a massa, $m$, relacionam-se pela famosa equação de Einstein. $$E = m c^2$$ em que $c$ é a velocidade da luz, $\pu{3e8 m.s-1}$. Essa relação mostra que a perda de energia é sempre acompanhada de perda de massa.

A perda de massa que sempre acompanha a perda de energia é normalmente muito pequena para ser detectada. Mesmo nas reações químicas fortemente exotérmicas, como uma que libera $\pu{1000 kJ}$ de energia, a diferença entre as massas dos produtos e reagentes é somente $\pu{10 ng}$. Em uma reação nuclear, em que as trocas de energia são muito grandes, a perda de massa é mensurável, e podemos calcular a energia liberada a partir da variação observada na massa.

Um núcleo pode ser visto como o resultado da união de núcleons (prótons e nêutrons). A energia de ligação nuclear, $E_\mathrm{lig}$, é a energia liberada nesse processo. Todas as energias de ligação são positivas, isto é, o núcleo tem energia mais baixa do que a dos núcleons que o formam. Quanto maior for a energia de ligação, menor será a energia do núcleo.

A equação de Einstein pode ser usada para calcular a energia de ligação nuclear a partir da diferença de massa, $\Delta m$, entre o núcleo e os núcleons separados. $$\Delta m = m_\text{núcleo} - \sum m_\text{núcleons}$$ Por exemplo, o ferro-56 tem 26 prótons, cada um com massa $m_\mathrm{p}$, e 30 nêutrons, cada um com massa $m_\mathrm{n}$. A diferença de massa entre o núcleo e os núcleons separados é $$\Delta m = m_{\ce{Fe-56}} - ( 26 m_\mathrm{p} + 30 m_\mathrm{n} )$$ As massas dos núcleos isolados não são obtidas com facilidade, e em muitos casos são substituídas pelas massas dos nuclídeos. Essa massa inclui a massa total de todos os $Z$ elétrons em um átomo com número atômico $Z$, mas pode ser cancelada substituindo-se os $Z$ prótons por $Z$ átomos de hidrogênio, com seus $Z$ elétrons. Existe uma pequena discrepância no valor da energia de ligação calculada desta maneira, porque as contribuições das energias dos elétrons no átomo são ligeiramente diferentes, comparadas com as dos átomos de hidrogênio. Porém, esta contribuição é tão pequena que pode ser ignorada (exceto em cálculos mais detalhados). A energia de ligação é calculada a partir da diferença de massa: $$E_\mathrm{lig} = -\Delta m \times c^2$$ O sinal negativo está presente porque uma perda de massa ($\Delta m < 0$) corresponde a uma energia de ligação positiva. As energias de ligação são apresentadas em elétron-volts ou, mais especificamente, milhões de elétron-volts: $$\pu{1 MeV} = \pu{1,60e-13 J}$$ Como as massas dos nuclídeos são muito pequenas, elas são normalmente dadas como múltiplos da constante de massa atômica: $$m_\mathrm{u} = \pu{1,66e-27 kg}$$ A constante de massa atômica é definida como exatamente $1/12$ da massa de um átomo de carbono-12.

Figura

A Figura 1 mostra a energia de ligação por núcleon, $E_\mathrm{lig}/A$, dos elementos. O gráfico mostra que os núcleons estão mais fortemente ligados nos elementos próximos do ferro e do níquel. Essa energia de ligação elevada é uma das razões pelas quais o ferro e o níquel são tão abundantes em meteoritos e em planetas rochosos como a Terra. Os núcleos dos átomos leves ficam mais estáveis quando se “fundem” e os núcleos pesados liberam mais energia quando sofrem “fissão” e se dividem em núcleos mais leves.

2K.2bA extração da energia nuclear

Na fissão nuclear, um núcleo volumoso quebra-se em fragmentos. Na fusão nuclear, um núcleo maior é formado a partir de núcleos pequenos. Em 1938, Lise Meitner, Otto Hahn e Fritz Strassman perceberam que, ao bombardear átomos pesados, como o urânio, com nêutrons, eles podiam quebrar o átomo em fragmentos menores em reações de fissão e liberar quantidades muito grandes de energia. A energia liberada pode ser estimada usando a equação de Einstein. Dito de outro modo, a variação de energia nos processos de fissão ou fusão está relacionada com a diferença das energias de ligação dos núcleos no estado inicial e final e, portanto, a suas massas.

A fissão nuclear espontânea ocorre quando as oscilações naturais de núcleos pesados fazem com que eles se quebrem em dois núcleos de massa semelhante. Um exemplo é a desintegração do amerício-244 em iodo e molibdênio: $$\ce{ ^{244}_{95}Am -> ^{134}_{53}I + ^{107}_{42}Mo + 3 ^{1}_{0}n }$$ A fissão não ocorre sempre da mesma forma. Por exemplo, mais de 200 isótopos de 35 elementos diferentes foram identificados entre os produtos de fissão do urânio-235, a maior parte dos quais com números de massa próximos de 95 ou 137.

Figura

A fissão nuclear induzida é a fissão causada pelo bombardeamento de núcleos pesados com nêutrons. O núcleo quebra-se em dois fragmentos quando atingido por um projétil. Os núcleos que podem sofrer fissão induzida são chamados de fissionáveis. Para a maior parte dos núcleos, a fissão só ocorre se os nêutrons que colidem viajam com rapidez suficiente para atingir os núcleos e quebrá-los pelo impacto. O urânio-238 sofre fissão por esse mecanismo. Os núcleos físseis, por outro lado, são os núcleos que podem se quebrar, mesmo com nêutrons lentos. Eles incluem o urânio-235, o urânio-233 e o plutônio-239, que são os combustíveis de usinas nucleares.

Após a indução da fissão nuclear, as reações continuam a ocorrer mesmo se o suprimento de nêutrons for interrompido, desde que a fissão produza mais nêutrons. Essa fissão autossustentada ocorre nos átomos de urânio-235, que sofre numerosos processos de fissão, inclusive $$\ce{ ^{235}_{92}U + ^{1}_{0}n -> ^{141}_{56}Ba + ^{92}_{36}Kr + 3 ^{1}_{0}n }$$ Se os três nêutrons produzidos se chocam com três outros núcleos físseis, após o ciclo seguinte de fissão, existirão nove nêutrons que podem induzir a fissão em mais nove núcleos. Os nêutrons são propagadores de uma reação em cadeia ramificada.

Os nêutrons produzidos em reações em cadeia movem-se em alta velocidade, e a maior parte escapa para a vizinhança sem colidir com outros núcleos fissionáveis. Entretanto, se um número de núcleos de urânio suficientemente grande estiver presente na amostra, muitos nêutrons podem ser capturados para sustentar a reação em cadeia. Nesse caso, existe uma massa crítica, isto é, uma massa de material fissionável acima da qual poucos nêutrons escapam da amostra, e a reação de fissão em cadeia se sustenta. Se uma amostra é supercrítica, isto é, a massa está acima do valor crítico, a reação é, além de autossustentada, difícil de controlar e pode tornar-se explosiva. A massa crítica para uma esfera sólida de plutônio puro com densidade normal é de aproximadamente $\pu{15 kg}$, uma esfera do tamanho de um melão pequeno.

A fissão explosiva não pode ocorrer em um reator nuclear, porque o combustível não é denso o suficiente. Em vez disso, os reatores sustentam uma reação em cadeia muito mais lenta e controlada, através do uso eficiente de uma fonte limitada de nêutrons e da diminuição de sua velocidade. O combustível é moldado em longos bastões e introduzido em um moderador, uma substância que diminui a velocidade dos nêutrons quando eles passam entre os bastões de combustível. Os nêutrons mais lentos têm probabilidade maior de colidir com um núcleo. O primeiro moderador usado foi a grafita. A água pesada, $\ce{D2O}$, também é um moderador efetivo de nêutrons, mas os reatores de água leve (LWRs), que são os mais comuns nos Estados Unidos, usam a água comum como moderador.

Se a velocidade da reação em cadeia exceder um determinado nível, o reator também se aquecerá e começará a fundir. Os bastões de controle — feitos de elementos que absorvem nêutrons, como o boro ou o cádmio, e que são inseridos entre os bastões de combustível — ajudam a controlar o número de nêutrons disponíveis e a velocidade da reação nuclear.

Embora os reatores de fissão não gerem poluição química, eles produzem resíduos radioativos muito perigosos. Entretanto, outro tipo de reação nuclear que está sendo estudado para a geração de energia é a fusão nuclear, que é essencialmente livre de resíduos radioativos de vida longa e cujo combustível é abundante e facilmente extraído da água do mar. A reação é a fusão dos núcleos de hidrogênio para formar núcleos de hélio.

Como a energia de ligação nuclear aumenta dos elementos leves (como o hidrogênio) para os mais pesados, ela é liberada quando os núcleos se fundem. A forte repulsão elétrica entre prótons dificulta que eles se aproximem o suficiente para que ocorra a fusão, mas os núcleos dos isótopos mais pesados do hidrogênio fundem-se mais facilmente porque os nêutrons adicionais contribuem para a força intensa. Para conseguir a elevada energia cinética necessária para uma colisão bem-sucedida, os reatores de fusão têm de operar em temperaturas acima de $\pu{e8 K}$. Um dos métodos usados na liberação controlada da energia nuclear envolve o aquecimento de um plasma, ou gás ionizado, pela passagem de uma corrente elétrica.

2K.2cA química da energia nuclear

A química é usada na preparação do urânio, na recuperação de importantes produtos de fissão e na remoção segura ou na utilização dos resíduos nucleares. A principal fonte mineral do urânio é a pechblenda, $\ce{UO2}$. O urânio obtido pela redução do minério é enriquecido, isto é, a abundância de determinado isótopo é aumentada (no caso, a do urânio-235). A abundância natural do urânio-235 é aproximadamente $\pu{0,7}\%$. Para uso em um reator nuclear, essa fração deve ser aumentada para aproximadamente $\pu{3,0}\%$. Para uso em armas nucleares, o enriquecimento precisa ser muito maior.

O procedimento de enriquecimento utiliza a pequena diferença de massa entre os hexafluoretos de urânio-235 e de urânio-238 para separá-los. O primeiro procedimento a ser desenvolvido é a transformação do urânio em hexafluoreto de urânio, $\ce{UF6}$, que pode ser vaporizado facilmente. A diferença entre as velocidades de efusão dos dois fluoretos isotópicos é usada então para separá-los. Segundo a lei de efusão de Graham (Tópico 2C), as velocidades de efusão do $\ce{^{235}UF6}$ (massa molar, $\pu{349 g.mol-1}$) e $\ce{^{238}UF6}$ (massa molar, $\pu{352 g.mol-1}$) devem estar na razão $$\dfrac{\text{velocidade de efusão de }\ce{^{235}UF6}}{\text{velocidade de efusão de }\ce{^{238}UF6}} = \sqrt{\dfrac{\pu{352 g.mol-1}}{\pu{349 g.mol-1}}} = \pu{1,004}$$ Esta relação é tão próxima de 1, que o vapor deve efundir repetidamente através de barreiras porosas formadas por telas com grande número de pequenos orifícios. Na prática, isso tem de ocorrer milhares de vezes.

Como o processo de efusão é tecnicamente complexo e utiliza grande quantidade de energia, os cientistas e os engenheiros continuam a pesquisar procedimentos alternativos de enriquecimento. Um deles utiliza centrífugas em que as amostras de vapor de hexafluoreto de urânio giram em velocidades muito altas. A rotação faz com que as moléculas de $\ce{^{238}UF6}$, mais pesadas, sejam jogadas para fora e possam ser coletadas na forma de um sólido nas peças externas do rotor, deixando uma proporção mais elevada de $\ce{^{235}UF6}$ no material próximo do eixo do rotor, de onde ele pode ser removido.

Depois do uso, o combustível nuclear ainda é radioativo. Ele é formado por uma mistura de urânio e produtos de fissão. Os resíduos do reator nuclear podem ser processados e certa quantidade reutilizada, mas a percentagem processada depende do preço do urânio. Quando o preço é baixo, como era no fim dos anos 90, a maior parte dos resíduos nucleares é armazenada para processamento posterior.

O processamento dos resíduos nucleares é complexo. O urânio-235 remanescente deve ser recuperado, o plutônio produzido deve ser extraído e os produtos de fissão, de pouca utilidade, mas ainda radioativos, devem ser armazenados com segurança. Os produtos de fissão muito radioativos (HRF) dos bastões de combustível nuclear utilizados devem ser armazenados até que seu nível de radioatividade deixe de ser perigoso (cerca de 10 meias-vidas). Geralmente, eles são enterrados, mas mesmo o enterro de resíduos radioativos não está livre de problemas. Os cilindros de metal usados no armazenamento podem sofrer corrosão e liberar resíduos radioativos líquidos que podem atingir fontes de água potável. É possível reduzir o vazamento pela incorporação dos produtos de HRF em um vidro — um sólido formado por uma rede complexa de átomos de silício e de oxigênio — em um processo denominado vitrificação. Os produtos de fissão são, geralmente, óxidos do tipo que formam um dos componentes do vidro — eles formam retículos; isto é, ajudam a formar uma rede relativamente desordenada de $\ce{Si-O}$, em vez de induzir a cristalização em uma rede ordenada de átomos. A cristalização é perigosa porque as regiões cristalinas facilmente se rompem e poderiam deixar o material radioativo incorporado exposto à umidade. A água poderia dissolvê-los e carregá-los para fora da área de armazenamento. Uma alternativa é incorporar os resíduos radioativos em materiais cerâmicos duros. Um exemplo é Synroc, um material cerâmico à base de titanatos que pode incorporar os resíduos radioativos em sua rede cristalina.

2K.2dOs efeitos biológicos da radiação

A radiação nuclear é algumas vezes chamada de radiação ionizante, porque sua energia é suficiente para ejetar elétrons dos átomos. Os hospitais usam a radiação nuclear para destruir tecidos indesejáveis, como as células cancerosas. Porém, os mesmos efeitos poderosos que facilitam o diagnóstico e a cura de doenças podem também provocar danos em tecidos sadios. O dano depende da intensidade da fonte, do tipo de radiação e do tempo de exposição. Os três tipos principais de radiação nuclear têm capacidade diferente de penetrar a matéria.

As partículas $\alpha$, pesadas e com carga elevada, interagem tão fortemente com a matéria que sua velocidade se reduz, elas capturam elétrons da matéria circundante e se transformam em volumosos átomos de hélio antes de viajar para muito longe. Elas só penetram a primeira camada da pele e podem ser freadas por vidro, pela roupa e até mesmo por uma folha de papel. A camada superficial da pele morta absorve a maior parte da radiação $\alpha$, e nela os danos são pequenos. Entretanto, as partículas $\alpha$ podem ser extremamente perigosas se inaladas ou ingeridas. A energia do impacto pode arrancar átomos de moléculas, o que pode levar a sérias doenças e causar a morte. Por exemplo, o plutônio, considerado um dos mais tóxicos materiais radioativos, é um emissor de partículas $\alpha$ e pode ser manuseado com segurança com proteção mínima. Ele, porém, é facilmente oxidado a $\ce{Pu^{4+}}$, que tem propriedades químicas semelhantes às do $\ce{Fe^{3+}}$. Como resultado, o plutônio pode substituir o ferro no organismo e ser absorvido pelos ossos, dentro dos quais destrói a capacidade do organismo de produzir as células vermelhas do sangue. Os resultados são doenças da radiação, câncer e morte.

A radiação $\beta$ vem em seguida em poder de penetração. Esses elétrons rápidos podem penetrar até $\pu{1 cm}$ no corpo antes que as interações eletrostáticas com os elétrons e o núcleo das moléculas interrompam seu curso.

A radiação $\gamma$ é a mais penetrante de todas. Os fótons de raios $\gamma$ de alta energia podem atravessar edifícios e corpos, além de causar danos pela ionização das moléculas que estão em sua trajetória. As moléculas de proteínas e DNA danificadas dessa maneira perdem sua função, e o resultado inclui doenças da radiação e câncer. Fontes intensas de raios $\gamma$ devem ser blindadas com tijolos de chumbo ou por uma camada espessa de concreto, para absorver essa radiação penetrante.

A dose absorvida de radiação é a energia depositada em uma amostra (em particular, o corpo humano) exposta à radiação. A unidade SI da dose absorvida é o gray, $\pu{Gy}$, que corresponde a um depósito de energia igual a $\pu{1 J.kg-1}$. A energia de uma partícula de radiação nuclear é altamente localizada, como o impacto de uma bala subatômica. Como resultado, as partículas incidentes podem quebrar ligações químicas quando colidem com moléculas em sua trajetória.

A extensão do dano causado pela radiação em tecidos vivos depende do tipo de radiação e do tipo de tecido. Portanto, a eficiência biológica relativa, $Q$, deve ser considerada quando avaliamos o dano causado por uma determinada dose de cada tipo de radiação. Para as radiações $\beta$ e $\gamma$, $Q$ vale arbitrariamente $1$, mas para a radiação $\alpha$, $Q$ fica próximo de $20$. A dose de $\pu{1 Gy}$ de radiação $\gamma$ causa aproximadamente o mesmo dano que $\pu{1 Gy}$ de radiação $\beta$, mas $\pu{1 Gy}$ de partículas $\alpha$ é cerca de 20 vezes mais destruidor (mesmo ela sendo a menos penetrante). Os números precisos dependem da dose total, da velocidade com que a dose se acumula e do tipo de tecido, mas esses valores são típicos.

A dose equivalente é a dose real modificada para levar em conta os diferentes poderes de dano dos vários tipos de radiação, em combinação com vários tipos de tecido. Ela é obtida pela multiplicação da dose real (em grays) pelo valor de $Q$ do tipo de radiação. O resultado é expresso na unidade SI chamada sievert ($\ce{Sv}$): $$\text{Dose equivalente (Sv)} = Q \times \text{dose absorvida (Gy)}$$ Uma dose de $\pu{0,3 Gy}$ de radiação $\gamma$ corresponde à dose equivalente de $\pu{0,3 Sv}$, suficiente para causar a redução do número de células brancas do sangue (as células que combatem as infecções), mas $\pu{0,3 Gy}$ de radiação $\alpha$ correspondem a $\pu{6 Sv}$, suficientes para matar se ingerida ou inalada. A média anual típica de dose equivalente que você recebe de fontes naturais, chamada de radiação de fundo, é cerca de $\pu{2 mSv.a-1}$, mas esse número varia, dependendo de seu estilo de vida e do lugar onde vive. Cerca de $20\%$ da radiação de fundo provêm de seu próprio corpo. Cerca de $30\%$ vêm dos raios cósmicos (uma mistura de raios $\gamma$ e partículas subatômicas de alta energia provenientes do espaço) que continuamente bombardeiam a Terra e $40\%$ vêm do radônio do solo. Os $10\%$ remanescentes provêm principalmente de diagnósticos médicos (por exemplo, uma única fotografia de raios X de tórax fornece, em geral, uma dose equivalente a $\pu{0,07 mSv}$). As emissões provenientes de usinas nucleares e outras instalações nucleares contribuem com cerca de $\pu{0,1}\%$ nos países em que elas são muito utilizadas.