Capítulo 43: Energia Nuclear

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2 Cap. 43: Sumário A Fissão do Urânio: O Processo Básico; Um Modelo para a Fissão Nuclear; O Reator Nuclear; Fusão Termonuclear: O Processo Básico A Fusão termonuclear no Sol; Fusão Termonuclear Controlada.

3 Reações químicas apresentam energias da ordem de ev por átomo. Reações nucleares apresentam energias da ordem de MeV por nuclídeos. A tabela abaixo apresenta uma comparação entre diferentes fontes de energia e o tempo que poderiam manter acesa uma lâmpada de 100 W.

4 Gráfico ilustrando a distribuição estatística do número de massa dos fragmentos formados da fissão do 235 U. Cerca de 7% dos eventos resultam em fragmentos de número de massa A = 95 e A = 140.

5 Fissão Nuclear: O processo Básico U n U Xe Sr 2n Esses fragmentos de fissão não são estáveis!

6 2 Q mc A Energia, Q, Liberada na Fissão Nuclear Q ( E lig f ) ( Eligi) Q ) n ( Elig / n f ) n f ( Elig / ni A energia de ligação por núcleon formado depende da número de massa dos fragmentos formados. Nuclídeos pesados tem energia de ligação da ordem de 7,6 MeV/núcleon, enquanto que nuclídeos intermediários tem energia de ligação da ordem de 8,5 MeV/núcleon i Q 240 (8,5 10 A Q B 120 C )2(120) (7, ev 6 )240

7 Exemplo 43-1) pg. 339 Determine a energia de desintegração Q para o evento de fissão do 235 U. Dados: 235 U 235,0439u n 1,00866u Ce 139,9054u Zr 93,9063u 2 Q mc Q [( 139, ,9063 2*1,00866) (235,0439 1,00866)] uc 2 Q 27 [ 0,22354]1, (2, ) 2 11 Q 3, J 208MeV

8 Um Modelo para a Fissão Nuclear

9 Gráfico ilustrando o comportamento da energia potencial em função do parâmetro de afastamento r, que é a medida do afastamento do núcleo em relação à forma esférica. Se r é grande, representa a distância de afastamento entre o centro dos fragmentos.

10 Indicação da variação da energia de barreira antes E b e depois E n do nuclídeo absorver um nêutron térmico. Um nêutron térmico se move lentamente por estar em equilibrio com o meio que os rodeia e possui energia cinética de apenas 0,04 ev.

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12 Problemas de um Reator Nuclear. 1 - A Fuga de Nêutrons: Alguns nêutrons gerados a partir das fissões escapam do reator. 2 - A Termalização dos Nêutrons: Nêutrons térmicos são mais eficientes para gerar novas fissões que os nêutrons rápidos provenientes das fissões de 235 U. 3 - A Captura de Nêutrons: Quando os nêutrons forem termalizados, adquirem alta probabilidade de serem absorvidos por nuclídeos de 238 U. Essa absorção resulta na emissão de um raio gama.

13 Diagrama Simplificado de um Reator Nuclear

14 Exemplo 43-2) pg. 344 Uma usina de energia nuclear tem reatores com potência de 3400 MW que são capazes de gerar 1100 MW de eletricidade. A carga de combustível é de 86 T na forma de Óxido de Urânio, distribuídos na forma de barras de combustível. O Urânio é enriquecido a 3% 235 U. a) A Qual é a eficiência da usina? potência saída 1100M Ef Ef 32% potência entrada 3400M b) Qual é a taxa com que ocorrem os eventos de fissão no reator? (200MeV/fissão) J / s 20 N f 1,0610 fissões / s 200MeV / fissão c) Qual é o consumo de 235 U por dia? (Processo de fissão e a captura de nêutrons 238 U que corresponde a 1)4) M N (1 0,25)1,0610 1,3310 atomos / s 1,3310 (3,9 10 ) 5,1910 t d) Quanto tempo vai durar o suprimento do 235 U? ( 0,03) t 4,9710 s 575dias 5 5, kg/ s

15 A Fusão Termonuclear: O Processo Básico Para gerar energia útil é necessário gerar um grande número de fusões em um curto intervalo de tempo. É necessário aumentar a energia térmica dos átomos (K = kt) para superar a repulsão coulombiana que impede esse processo à temperarura ambiente.

16 Exemplo 43-4) pg. 349 Suponha que o próton é uma esfera de raio R = 1 fm. Dois prótons com mesma energia cinética K sofrem uma colisão frontal. a) Qual deve ser a energia cinética para que as partículas sejam imobilizadas instantaneamente pela repulsão de Coulomb no momento em que estão se tocando? (Altura da Barreira) b) Para qual temperatura um próton possui essa energia cinética? a) Da conservação da energia para os 2 prótons que se aproximam até 2r, temos: 2K U e 2r K e r 5,7510 J b) Da energia térmica média, temos: K 3 14 kt 2 5,7510 J T 2*5,7510 3*1, K

17 A Fusão Termonuclear no Sol 4 1 H 2e 4 He 2 6 (4 1 H 4e ) ( 4 He 2e ) Q [4(1,007825) 4,002603] uc 4,2810 J 26, 7MeV

18 Exemplo 43-5) pg. 351 Qual é a taxa de consumo de hidrogênio, para o ciclo p-p, em uma estrela como o Sol? P E t E m m t m t mp E 27 (1,6710 ) 6 26,210 (1, ) 26 ) (3, (3,9 10 ) 4(1,6710 4,210 ) m t 6, kg/ s

19 Fusão Termonuclear Controlada Reações mais promissoras para o uso em reatores nucleares. Requisitos que um reator que opera à fusão nuclear deve cumprir: Alta concentração de partículas, n; Alta temperatura do plasma; Longo tempo de confinamento, ; O critério de Lawson define a condição na qual o reator inicia a produzir energia. n s / m

20 O Confinamento do Plasma O confinamento Magnético: O plasma pode ser confinado em uma camera análoga a um solenóide toroidal, chamado de Tokamak. Forças Magnéticas impedem que o plasma entre em contato com as paredes do Tokamak. O Confinamento Inercial: Um laser de alta intesidade é usado para bombardear uma pequena esfera de combustível em todas as direções. O efeito desse procedimento leva a um grande aumento da temperatura e da pressão no interior da esfera, permitindo o inicio da fusão nuclear.

21 Exemplo 43-4) pg. 349 Uma esfera de combustível de um reator de fusão a laser contem números iguais de átomos de deutério e de trítio. A massa específica de 200 kg/m 3, é multiplicada por 1000 quando a esfera é atingida pelos pulsos dos lasers. a) Quantas partículas por unidade de volume a esfera contem no estado comprimido? b) De acordo com o critério de Lawson, Quanto tempo essa massa específica deve ser mantida para que a produção de energia seja igual ao consumo? Dados: M d = 2x10-3 kg/mol; M t = 3x10-3 kg/mol a) i n 2 m d n m 2 n( m d m t ) 2i f t n ( m d f m t ) 4, m 3 b) n 12 s

22 Lista de Exercícios 3, 5, 11, 15, 21, 22, 33, 37, 39