Energia Nuclear – Parte I

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A 6 de Agosto de 1945, os Estados Unidos usaram a primeira bomba atómica em cenário de guerra contra o Japão, em Hiroshima, seguida de uma outra largada sobre Nagasaki 3 dias depois. A humanidade sentiu então que uma Caixa de Pandora tinha sido aberta… Jamais seria possível fechar ou esquecer esta caixa. Contudo, ao contrário da caixa do mito grego que continha todos os males do mundo, esta tecnologia tem também benefícios quando usada para gerar energia eléctrica. Ainda assim, mesmo na sua vertente pacífica o seu uso continua a ser contestável devido aos riscos de acidente, bem como devido à produção de lixo radioactivo. Chernobyl e mais recentemente Fukushima parecem sugerir que talvez os riscos sejam injustificáveis. Qual a sua opinião? Todos temos direito a ter uma opinião, contudo só opiniões informadas são dignas de ser discutidas. Neste artigo pretendo resumir a informação que creio ser-lhe útil. Na primeira parte vou-me focar na História e na física da fissão nuclear.

Em 1905, no Annus Mirabilis de Einstein, este descobre a equivalência entre energia (E) e massa (m):

emc2Escultura em Berlim, Alemanha.

Esta é uma das equações mais famosas de sempre e surgiu como uma consequência da Teoria da Relatividade de Einstein. A expressão matemática diz-nos que a energia de um corpo é proporcional à massa deste, e que a constante de proporcionalidade que traduz a massa em energia corresponde ao quadrado da velocidade da luz (c). Como a velocidade da luz é um número enorme (cerca de 300 mil km/s), tal implica que até mesmo uma pequena massa tem em si uma enorme energia.

Três décadas depois, no final de 1938, os químicos alemães Otto Hahn e Fritz Strassmann publicaram um artigo no qual descreviam pela primeira vez a fissão do urânio. O artigo saiu em Janeiro de 1939 e em Fevereiro a física austro-sueca Lise Meitner e o seu sobrinho austro-britânico Otto Frisch reconheceram que a descoberta de Hahn e Strassmann correspondia a fissão nuclear. Os resultados suscitaram interesse imediato entre os físicos nucleares, pelo que a mesma reacção foi logo reproduzida noutros laboratórios, nomeadamente por Enrico Fermi e John Dunning nos Estados Unidos.

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Lise Meitner (1878-1968) e Otto Frisch (1904-1979). Ambos tinham ascendência judaica, pelo que ambos foram forçados a abandonar a Alemanha onde se tinham formado. Antes disso, Meitner tinha sido a primeira mulher a alcançar o título académico equivalente a professora catedrática na Alemanha.

A fissão nuclear é um processo através do qual uma partícula se transforma noutras diferentes. O nome “fissão” foi atribuído por Frisch por analogia com a fissão celular em Biologia, onde uma dada célula se pode dividir e dar origem a duas ou mais células. O “nuclear” refere-se ao facto da reacção envolver o núcleo do átomo (recordo que um átomo é constituído por um núcleo no qual se concentram neutrões e protões, e em torno dele encontramos os electrões; para mais detalhes leia o artigo O Mundo das Partículas). A fissão de um núcleo atómico, isto é, a sua divisão em núcleos mais leves, pode ocorrer como consequência duma reacção nuclear induzida pela colisão deste com neutrões livres, ou de forma espontânea por decaimento radioactivo como descoberto em 1940 pelos soviétivos Georgy Flyorov, Konstantin Petrzhak and Igor Kurchatov. O que Hahn e Strassmann observaram foi o caso da reacção nuclear induzida, quando fizeram colidir neutrões contra urânio. A reacção nuclear fazia lembrar a alquimia, visto que permitia a transmutação de elementos químicos! Eis a reacção nuclear observada por Hahn e Strassmann e explicada por Meitner e Frisch:

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Os pequenos círculos azuis representam neutrões. Lendo a imagem de cima para baixo, o urânio U-235 absorve um neutrão, e passa momentaneamente a um estado instável que corresponde ao U-236. De seguida o isótopo de urânio divide-se em crípton Kr-92, bário Ba-141, e 3 neutrões são soltos.

Para quem não aprendeu Química, o U, o Kr e o Ba são os símbolos químicos do urânio, crípton e bário, respectivamente. Os números são chamados de números de massa porque contam o número de protões e neutrões que constituem a partícula. Note-se que a massa do neutrão é semelhante à do protão, enquanto que a massa do electrão é muito menor que estas sendo por isso desprezável. É por isso que o número de massa nos dá de facto a massa do átomo. No caso do U-235, o urânio tem 143 neutrões e 92 protões. Se alterarmos o número de neutrões de um elemento, mantendo o número de protões (também chamado número atómico), dizemos estar na presença de um “isótopo” desse elemento, como é o caso do U-236, que tem um neutrão a mais que o U-235. Se alterarmos o número de protões obtemos um elemento químico diferente: o Ba-141 tem 56 protões e 85 neutrões, enquanto que o Kr-92 tem 36 protões e 56 neutrões. O leitor deverá notar que o número de protões e neutrões é conservado: os 92 protões do urânio são divididos pelo crípton (36) e pelo bário (56), enquanto que os 144 neutrões do U-236 vão para o crípton (56), bário (85), e sobram 3 neutrões que ficam livres. Esta é uma reacção exotérmica, isto é, neste processo liberta-se energia, muita energia! Além da emissão de raios gama (luz de elevada energia), as partículas produzidas adquirem uma elevada energia cinética, ou seja, saem “disparadas”. Se tivermos mais átomos de urânio U-235 por perto, dá-se uma reacção em cadeia auto-sustentável, pois os neutrões expelidos numa reacção nuclear vão induzir novas reacções nucleares noutros átomos de U-235! Note-se que o esquema de cima está muito simplificado, focando-se apenas na fissão nuclear de interesse. Na verdade, alguns neutrões podem ser capturados por isótopos diferentes de urânio, enquanto que outros neutrões podem não chegar a reagir com ninguém. Nesse caso, passado alguns minutos os próprios neutrões decaem em protões e partículas beta (electrões ou positrões de elevada energia, sendo que o positrão é a anti-matéria do electrão). Nem todos os isópotos de urânio servem para fissão nuclear em cadeia. Por exemplo, o isótopo mais abundante de urânio é o U-238, e apesar de sofrer fissão nuclear, os neutrões libertados nesta reacção nuclear “saem” da reacção em média com energia insuficiente para dar origem a uma nova reacção nuclear, o que impossibilita a reacção em cadeia. O mesmo se passa com muitos outros elementos químicos. Além do U-235, um outro combustível nuclear comum é o plutónio Pu-239.

Apesar de Meitner e Frisch terem explicado o fenómeno, foi Leó Szilárd a reconhecer o potencial da reacção em cadeia para ser usada para gerar energia eléctrica ou para fazer bombas atómicas. A ideia já tinha sido formulada por ele em 1933, mas não conseguiu ser ele o primeiro a observar o fenómeno porque andou a experimentar com os elementos errados… Assim que soube das novidades sobre o urânio, Szilárd estava em condições de tentar colocar a sua ideia em prática. Numa parceria com Enrico Fermi, Szilárd decidiu-se a fazer um reactor nuclear. Em paralelo, no ano de 1939, o físico nuclear alemão Siegfried Flügge publicou dois artigos sobre as possibilidades de exploração da energia nuclear. Szilárd reconheceu que poderia estar a começar uma corrida científica com vista à nova tecnologia, pelo que precisava de reagir depressa. Precisava de duas coisas: U-235 em quantidades consideráveis e um financiamento avultado. Recorreu à ajuda de Einstein para obter ambos. Por um lado, as melhores reservas naturais de urânio encontravam-se no Congo Belga, pelo que tendo Einstein boas relações com a família real belga fazia sentido que Einstein intercede-se junto deles. Por outro lado, dado o risco dos alemães estarem a pensar desenvolver uma bomba atómica, era necessário alertar o governo americano de tal hipótese, sendo por isso preponderante desenvolver a bomba antes dos nazis. Neste caso fazia sentido usar a palavra do cientista de maior renome internacional para chamar a atenção do presidente Franklin D. Roosevelt. Einstein aceitou assinar ambas as cartas, e Roosevelt foi convencido da necessidade de criar o Projecto Manhattan. Sob a tutela deste projecto, a 1 de Janeiro de 1943 foi inaugurado um laboratório secreto em Los Alamos, Novo México. Ao físico nuclear Robert Oppenheimer foi oferecida a posição de director deste laboratório cujo propósito era criar a bomba atómica. No dia 16 de Julho de 1945 foi detonada a primeira bomba nuclear, a Trinity, no Novo México. Dada a situação da guerra no pacífico com o Japão, o então presidente dos Estados Unidos, Harry S. Truman decidiu usar esta nova tecnologia para forçar a rendição incondicional do Japão. Hiroshima foi destruída por uma bomba de urânio, a Little Boy (“pequeno rapaz”), e Nagasaki por uma bomba à base de plutónio, a Fat Man (“homem gordo”). Dois anos mais tarde, Einstein dizia numa entrevista “had I known that the Germans would not succeed in developing an atomic bomb, I would have done nothing” (“se eu soubesse que os alemães não iriam conseguir desenvolver a bombar atómica, não teria feito nada”). (Einstein só assinou as cartas, não participou no Projecto Manhattan.)

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Hiroshima após a queda da bomba Little Boy.

A bomba de Hiroshima produziu uma explosão equivalente a 16 mil toneladas de TNT, sendo que tal proveio apenas de 1.7% do combustível da bomba, tendo sido por isso uma reacção nuclear muito ineficiente. O raio de destruição completa foi de cerca de 1.6 km, mas os fogos resultantes estenderam-se por uma área de 11 km2. Já a bomba de Nagasaki produziu uma explosão equivalente a 21 mil toneladas de TNT (neste caso 17% do combustível reagiu). Estima-se que em Hiroshima a bomba matou 20 mil soldados e entre 70 a 140 mil civis. Em Nagasaki terão sido entre 40 a 80 mil pessoas. Além destas vítimas, milhares de outras pessoas ficaram nos anos seguintes expostas a elevados níveis de radiação. Cerca de 2000 morreram de cancro que se supõe ter sido causado por esta radiação. Embora tenha havido muita especulação sobre a eventualidade da radiação ter também induzido o nascimento de um maior número de bebés com defeitos genéticos, estudos subsequentes mostraram que tal não sucedeu.

Na segunda parte irei falar dos reatores nucleares e do problema dos resíduos radioactivos. Deixarei a fusão nuclear para a terceira parte.

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“Esperem! Parem! Voltem a construir!”
No jornal: “Elevados preços dos combustíveis fósseis.” 

Marinho Lopes

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3 thoughts on “Energia Nuclear – Parte I

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