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Bomba atômica

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Seminário feito por mim no 1º semestre do curso de Física bacharelado da UECE …

Seminário feito por mim no 1º semestre do curso de Física bacharelado da UECE
(State University of Ceará).
Esse documento foi usado por mim, na apresentação do seminário como referência, pode ser usado como referencia também para outras pesquisas mais aprofundadas, como tópico.

Published in: Technology, News & Politics

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  • 1. Origem<br />A descoberta do nêutron, no ano de 1932, mudou totalmente os métodos utilizados para estudar as propriedades do núcleo atômico. Ernest Rutherford, físico inglês que viveu entre os anos de 1871 e 1937, fez inúmeras pesquisas investigativas sobre a estrutura do átomo. Rutherford investigou a estrutura do átomo utilizando para isso as partículas alfa. Nos anos 30 inúmeras descobertas revelaram aspectos inesperados em relação ao núcleo do átomo. Ao bombardear átomos de urânio com nêutrons, cientistas como Otto Hahn e Lise Meitner, provaram que o núcleo desse átomo, formado por 92 prótons, é dividido em núcleos menores e descobriram ainda que o urânio pode fissionar (processo de fissão nuclear) o elemento bário e o elemento criptônio, cada qual com 56 e 36 prótons no núcleo respectivamente. Com essas descobertas os cientistas perceberam que era possível criar uma reação em cadeia com capacidade para gerar grandes quantidades de energia e que, se ela ocorresse de forma descontrolada, em uma fração de segundos a liberação de energia seria gigantesca, provocando dessa forma uma explosão de alto poder destrutivo. Após essas descobertas surgiu uma nova arma: a bomba nuclear, cujo poder destrutivo é altíssimo. Muitos dos cientistas que se empenharam nas pesquisas sobre fissão e fusão nuclear, entre eles Einstein e Lise Meitner, se refugiaram em outros países em razão da perseguição nazista, mas mesmo assim deram continuidade em suas pesquisas. Nessa época já se tinha o conhecimento necessário para a construção da bomba nuclear. No ano de 1941, os Estados Unidos da América entram na Segunda Guerra Mundial após o bombardeio de Peal Harbor realizado pelos japoneses. A Europa estava um caos e Hitler já havia invadido vários países. Mediante esse ataque surpresa, os EUA iniciaram uma operação ultra-secreta num laboratório localizado no Novo México, para construção de uma bomba atômica. Vários cientistas foram convidados, entre eles Lise Meitner, mas ela se recusou.<br />No dia 2 de agosto de 1939, Albert Einstein (um dos cientistas mais respeitados na época), atendendo a pedidos de outros cientistas, escreveu uma carta ao Presidente Franklin Roosevelt. Na carta, Einstein dizia que os EUA deveriam priorizar o desenvolvimento de uma bomba baseada em energia nuclear, antes que os alemães o fizessem. <br />Como resultado, nasceu o Manhattan Project, com o propósito de desenvolver a bomba atômica. O sucesso não tardou: no dia 16 de julho de 1945, no estado de New Mexico, a primeira bomba nuclear foi detonada. <br />Os EUA, então, iniciaram uma longa série de exaustivos testes com bombas nucleares, com várias explosões. Até mesmo seus soldados foram deliberadamente expostos à radiação, marchando para o "ground zero" logo após uma explosão. Nos dias 6 e 9 de agosto do mesmo ano, duas bombas foram detonadas sobre as cidades de Hyroshima e Nagasaki, no Japão: foram os dois únicos artefatos nucleares já utiliados em guerra, e causou a rendição do governo japonês e o consequente fim da 2a. guerra mundial.<br />O que é, e como funciona...<br />O urânio encontrado na natureza é o dióxido de urânio(UO2),o UO2 é composto em mais de 99% de urânio 238,entretanto,o urânio 238 não suporta a fissão nuclear,e somente 0,7%é o urânio 235 que suporta a fissão nuclear,o urânio 238 não é físsil por vários motivos na qual explicaremos mais adiante.Existem diversos processos para para separar o urânio 238 do urânio 235,um dos processos para realizá-lo consiste em transformar o dióxido de urânio (UO2) no gás hexafluoreto de urânio (UF6) e fazer este gás difundir-se por placas porosas. Com isso, consegue-se separar o (235UF6) do (238UF6).<br />Um neutrão rápido é um neutrão livre com energia cinética superior a 1 keV e, normalmente, à volta de 1 MeV (100 TJ/kg), correspondendo a uma velocidade de 14.000 km/ HYPERLINK "http://pt.wikipedia.org/wiki/Segundo" sSão denomidados de rápidos para se distinguirem dos neutrões térmicos com menores energias, e dos neutrões de altas energias produzidos por radiação cósmica e por aceleradores de partículas. Os neutrões rápidos são produzidos por processos nucleares tais como a fissão nuclear. Neutrões originados por reacções de fusão nuclear são consideravelmente mais energéticos que 1 MeV; a fusão deutério-trítio é um caso extremo, produzindo neutrões com 14,1 MeV (1400 TJ/kg, movendo-se a 52.000 km/s, ou seja, 17,3% da velocidade da luz) que podem facilmente fissionar urânio-238 e outros actinídios não-físseis. Neutrões rápidos podem ser tornados térmicos por um processo chamado "moderação", e recorrendo a substâncias moderadoras. Nos reactores, estas substâncias são tipicamente (da mais para a menos utilizada) água leve, grafite e água pesada.<br />Um neutrão térmico é um neutrão livre com energia de cerca de 0,025 eV (2,4 MJ/kg, movendo-se a 2,2 km/s), que é a energia correspondente à velocidade mais provável a uma temperatura de 290 K (17 °C), a moda da distribuição de Maxwell-Boltzmann para esta temperatura. A energia mais provável é diferente tanto da energia correspondente à velocidade mais provável como da energia média. Com efeito, a energia mais provável é metade da energia correspondente à velocidade mais provável (0,125 eV à temperatura ambiente), enquanto que a energia média é 50% superior à energia correspondente à velocidade mais provável (0,375 eV à temperatura ambiente). Após um número arbitrário de colisões com dispersão por núcleos num meio moderador a esta temperatura, os neutrões atingem valores de energia próximos da referida energia mais provável, desde que não sejam absorvidos. Neutrões térmicos possuem uma secção-eficaz efectiva de absorção para cada nuclídeo frequentemente muito superior do que os neutrões rápidos, podendo assim serem absorvidos mais facilmente por um núcleo atómico, criando como resultado final um isótopo mais pesado (e, na maioria dos casos, instável) do elemento químico.<br />Material físsil e material físsionável são completamente distintos,material físsionável é aquele que pode sofrer fissão por neutrons lentos(térmico)neutrôns lentos são os neutrôns com 0,025 eletron-volts e podem ser capturados pelo material fissil,quanto maior o eletron-volt maior a radiação liberada.o material físsil tem a capacidade de capturar eletrons com essa quantidade de eletron-volts.<br />Material físsil é aquele que pode sofrer fissão nuclear,embora todos os materiais físseis sejam fissionáveis, nem todos os materiais fissionáveis são físseis.<br />Depois de entender como funciona a fissão nuclear,basta encontrar uma forma de como ela possa explodir.Existe uma coisa chamada massa crítica,massa crítica é a quantidade necessária para causar alguma explosão.No caso da little boy existia um pequeno projétil de urânio 235 em estado de fissão,num cano atráves de um explosivo comum ele era atirado contra uma massa de urânio iniciando a reação nuclear em cadeia<br />Bombardeando urânio com nêutrons, os cientistas tentavam obter elementos transurânicos. Foi desta forma que, em 1938, Hahn e Strassmann, na Alemanha, acabaram por fissionar (quebrar) urânio (235U). Frisck e Lise Meitner interpretaram as experiências de Hahn afirmando que, se um núcleo pesado sofre fissão, obtêm-se átomos de massa mediana e enorme quantidade de energia. <br />A física Lise Meitner saiu da Alemanha por causa do nazismo. Ela foi para a Dinamarca levando consigo algumas informações sobre a cisão nuclear. Essas informações foram posteriormente divulgadas em Washington durante uma reunião de físicos. Com isto, outros cientistas executaram experimentos e constataram a "quebra" do núcleo do urânio através de nêutrons. <br />235U + 1,0n => 141,56Ba + 92,36Kr + 3 1,0n <br />Nessa quebra, vários produtos de fissão são possíveis, ou seja, temos diversas reações nucleares ocorrendo simultaneamente. Em qualquer quebra são liberados nêutrons (2 ou 3), que como desencadeantes da fissão provocam novas cisões nucleares (reação em cadeia). Essas reações podem ser usadas na bomba atômica. A primeira bomba atômica foi detonada em uma região desértica do Novo México (julho de 1945), comprovando-se sua incrível potência. Porém, suas conseqüências desastrosas se fizeram sentir em 6 de agosto de 1945. <br />Nessa ocasião, contrariando a posição de um conjunto de cientistas, os Estados Unidos detonaram a bomba em Hiroshima e logo depois em Nagasaki (Japão). A bomba de Hiroshima ocasionou a morte de aproximadamente 70 000 pessoas e devastou completamente 9 quilômetros quadrados. Na bomba de Hiroshima foi usado o 235U e na de Nagasaki o 239Pu. Porém, em qualquer dos casos há formação de novos elementos, os quais também podem ser radioativos. Devido aos efeitos nocivos das radiações, os habitantes de Hiroshima e Nagasaki foram vitimas de vários problemas de saúde. Houve inúmeros casos de crianças que nasceram defeituosas em conseqüência de alterações genéticas e muitos casos de leucemia, só para citar alguns exemplos. <br />A bomba de Hiroshima tinha potência equivalente a 20 000 toneladas do explosivo químico TNT (trinitrotolueno) - 20 quilotons. A fissão nuclear pode ser controlada e empregada em usinas nucleares. <br />Estas bombas nucleares eram dispositivos que se aproveitavam da energia de fissão do urânio. O poder de devastação de uma bomba nuclear é enorme. Apenas um grama de Urânio-235 é capaz de fornecer, em um evento de fissão, 200 MeV, energia equivalente a 80 milhões de kJ; só para comparação, 1g de TNT fornece apenas 16 kJ!Isto significa que um processo de fissão nuclear libera uma quantidade de energia 5.000.000 maior do que uma reação química. Como correlação, o poder de uma bomba é expressa em megatons, isto é, o equivalente em milhões de toneladas de dinamite. Uma bomba de 10 megatons, por exemplo, tem poder de devastação equivalente 10 milhões de toneladas de TNT. <br />Na média, cada átomo de U-235 produz 2,5 nêutrons numa fissão; quando um nêutron colide com outro átomo de U-235, ele provoca a fissão deste também, gerando uma reação em cadeia. Se a amostra do material é pequena, a maior parte dos nêutrons escapam do sistema antes de provocarem a fissão em outro átomo; neste caso, a massa do material radioativo é chamada de subcrítica, isto é, abaixo da necessária para gerar a reação em cadeia.<br />A quantidade exata para se iniciar a reação em cadeia é chamada de massa crítica. Nos modelos de bombas utilizadas na 2a. guerra mundial,haviam duas porções subcríticas de urânio, separadas, no compartimento interno da bomba. Ao acionar o detonador, uma explosão química fazia as duas porções colidirem, gerando uma massa supercrítica, isto é, contendo material necessário para iniciar a reação em cadeia, mas onde cada evento de fissão promove mais de dois ou mais eventos: é bomba! A energia nuclear pode também trazer benefícios ao homem - boa parte da energia elétrica utilizada em todo o mundo vem da nucleo do átomo. As usinas nucleares se aproveitam da energia de fissão do urânio para aquecer grandes quantidades de água e produzir vapor. Com o trabalho exercido pelo vapor, então, é possível de movimentar os geradores elétricos. Embora já ocorridos, acidentes são raros, e esta é uma forma barata de energia. O grande problema é o lixo tóxico radioativo gerado, constantemente, pelo processo. No reator nuclear, mecanismos de controle (por captura de nêutrons) mantém a reação sempre no nível crítico, sem chegar no supercrítico. <br />Os fenômenos envolvidos na fusão nuclear constituem o fundamento das reações termonucleares que ocorrem no interior das estrelas.Fusão nuclear é a união dos prótons e nêutrons de dois átomos para formar um único núcleo atômico, de peso superior àqueles que lhe deram origem. Nesse processo, é liberada uma quantidade de energia equivalente à diferença entre a energia de ligação do novo átomo e a soma das energias dos átomos iniciais. São as reações de fusão nuclear que fornecem a energia irradiada pelo Sol, pela fusão de quatro átomos de hidrogênio para formar um átomo de hélio. Dados espectroscópicos indicam que esse astro é constituído de 73% de átomos de hidrogênio e 26% de átomos de hélio, sendo o restante fornecido pela contribuição de vários elementos.Para que ocorra o processo de fusão, é necessário superar a força de repulsão elétrica entre os dois núcleos, que cresce na razão direta da distância entre eles. Como isso só se consegue mediante  temperaturas extremamente elevadas, essas reações também se denominam reações termonucleares. Durante muito tempo, a única reação de fusão nuclear realizada na Terra era a utilizada na bomba de hidrogênio, em que a explosão atômica fornece a temperatura necessária (cerca de quarenta milhões de graus Celsius) para que a fusão tenha início.A fusão nuclear controlada proporcionaria uma fonte de energia alternativa relativamente barata para a produção de eletricidade e contribuiria para  poupar as reservas de combustíveis fósseis como o petróleo, o gás natural e o carvão, que decrescem rapidamente. As reações controladas podem ser obtidas com o aquecimento de plasma (gás rarefeito com elétrons e íons positivos livres), mas se torna difícil conter os plasmas nos altos níveis de temperatura requeridos para as reações de fusão auto-sustentadas, pois os gases aquecidos tendem a expandir-se e escapar da estrutura circundante.  Experiências com reator de fusão já foram empreendidas em vários países.<br />A fusão nuclear é um tipo de reação que produz imensas quantidades de energia. Ela ocorre naturalmente no interior do Sol, gerando a energia térmica que necessitamos para sobreviver na Terra. A temperaturas de 14.000.000 ºC (quatorze milhões de graus Celsius), os núcleos de dois átomos de hidrogênio se fundem ou unem. No processo, um pouco de massa é perdida e convertida em energia.No sol, onde a fusão nuclear ocorre naturalmente, os núcleos de tipos de gás hidrogênio se fundem formando o gás hélio e mais uma partícula atômica chamada nêutron. Nesse processo se perde uma pequena quantidade de massa que se converte em enorme quantidade de energia. As temperaturas extremamente altas que existem no Sol, fazem com que este processo se repita continuamente.<br /> <br />Reatores de Fusão NuclearPara alcançar as temperaturas necessárias para a fusão nuclear, os átomos de hidrogênio são aquecidos em um reator de fusão. Os núcleos dos átomos são separados dos elétrons (partículas com carga elétrica negativa) e se forma um tipo especial de matéria chamado plasma. Para que os núcleos separados de hidrogênio possam se fundir, o plasma deve ser conservado a temperatura de aproximadamente 14.000.000 ºC (quatorze milhões de graus Celsius).O campo eletromagnético dentro do reator, mantém as altas temperaturas necessárias para a fusão nuclear. Ainda estão sendo feitas pesquisas para fundir núcleos de hidrogênio em larga escala, nos experimentos de fusão da Joint European Torus, na Inglaterra.<br />Fusão Nuclear - é o processo no qual dois ou mais núcleos atómicos se juntam e formam um outro núcleo de maior número atômico. A fusão nuclear requer muita energia para acontecer, e geralmente liberta muito mais energia que consome. Quando ocorre com elementos mais leves que o ferro e o níquel (que possuem as maiores forças de coesão nuclear de todos os átomos, sendo portanto mais estáveis) ela geralmente liberta energia, e com elementos mais pesados ela consome. Até hoje início do século XXI, o ser humano ainda não conseguiu encontrar uma forma de controlar a fusão nuclear como acontece com a fissão.<br />O principal tipo de fusão que ocorre no interior das estrelas é o de Hidrogênio em Hélio, onde dois prótons se fundem em uma partícula alfa (um núcleo de hélio), liberando dois pósitrons, dois neutrinos e energia. Mas dentro desse processo ocorrem várias reações individuais, que variam de acordo com a massa da estrela. Para estrelas do tamanho do nosso Sol ou menores, a cadeia próton-próton é a reacção dominante. Em estrelas mais pesadas, predomina o ciclo CNO.<br />Vale ressaltar que há conservação da energia, e, portanto, pode-se calcular a massa dos quatro prótons e o núcleo de hélio, e subtrair a soma das massas das partículas iniciais daquela do produto desta reação nuclear para calcular a massa/energia emitida.<br />Utilizando a equação E=mc², pode-se calcular a energia liberada, oriunda da diferença de massa. Uma vez que o valor de c é muito grande (aprox. 3×108 m/s), mesmo uma massa muito pequena corresponde a uma enorme quantidade de energia. É este fato que levou muitos engenheiros e cientistas a iniciar projetos para o desenvolvimento de reatores de fusão ( HYPERLINK "http://pt.wikipedia.org/wiki/Tokamak" o "Tokamak" Tokamaks) para gerar eletricidade (por exemplo, a fusão de poucos cm³ de deutério, um isótopo de hidrogênio, produziria uma energia equivalente àquela produzida pela queima de 20 toneladas de carvão).<br />Reator<br />O vaso de pressão contém a água de refrigeração do núcleo do reator. Essa água circula quente por um gerador de vapor, em circuito fechado, chamado de circuito primário. A outra corrente de água que passa por esse gerador (circuito secundário) se transforma em vapor, acionando a turbina para a geração de eletricidade. Os dois circuitos não têm comunicação entre si.<br />Controle da reação no reator<br />Nos reatores nucleares, a reação acontece dentro de varetas que compõem uma estrutura chamada elemento combustível. Dentro do elemento combustível há também barras de controle, geralmente feitas de cádmio, material que absorve nêutrons. Estas barras controlam o processo.<br />Quando as barras "entram totalmente" no elemento combustível, o reator pára; quando saem, ele é ativado.<br />