Aula 173 — Fissão Nuclear (Reatores e bombas atômicas)

O professor pergunta: "como um único nêutron, ao atingir um núcleo de urânio, pode desencadear a liberação de uma quantidade de energia milhões de vezes maior do que a de uma reação química comum?" Ouvir hipóteses.

Perguntar: se cada fissão libera, em média, mais de um nêutron capaz de provocar novas fissões, o que impede essa reação de crescer sem controle em QUALQUER situação? Obstáculo a nomear (sem resolver ainda): achar que toda reação em cadeia de fissão é necessariamente explosiva — a diferença entre um reator nuclear e uma bomba atômica está justamente em como essa reação em cadeia é controlada.

Apresentação dos slides 2 a 9: na fissão nuclear induzida, um núcleo pesado e instável (como urânio-235 ou plutônio-239) absorve um nêutron e se divide em dois núcleos menores (fragmentos de fissão), liberando também 2 a 3 nêutrons adicionais e uma grande quantidade de energia — ex.: nêutron + urânio-235 → bário-141 + criptônio-92 + 3 nêutrons + energia. Essa energia liberada é consistente com a curva de energia de ligação por núcleon (Aula 170): núcleos pesados como o urânio têm energia de ligação por núcleon MENOR que núcleos de massa intermediária como o bário e o criptônio; ao se dividir, o sistema "desce" em direção a núcleos mais fortemente ligados, liberando a diferença de energia. Como cada fissão libera mais de um nêutron, e cada um desses nêutrons pode provocar uma nova fissão, forma-se uma reação em cadeia: se, em média, cada fissão gerar exatamente uma nova fissão, a reação é crítica (taxa constante); se gerar menos de uma, é subcrítica (a reação se apaga); se gerar mais de uma, é supercrítica (a taxa cresce exponencialmente) — isso resolve o obstáculo do Momento 2. Um reator nuclear opera de forma controlada, mantendo a reação próxima da criticidade: um moderador (geralmente água ou grafite) desacelera os nêutrons para aumentar a chance de nova fissão, e barras de controle (de cádmio ou boro, materiais que absorvem nêutrons) são inseridas ou retiradas do núcleo do reator para ajustar a taxa de reação com precisão. Já uma bomba atômica utiliza material físsil altamente enriquecido, reunido rapidamente numa massa supercrítica, deliberadamente sem qualquer moderação ou controle, provocando uma reação em cadeia exponencial e descontrolada em frações de segundo.

Resolução guiada: contar coletivamente, geração a geração, o número de fissões numa reação supercrítica em que cada fissão gera, em média, 2 novas fissões (1, 2, 4, 8, 16... — crescimento exponencial), destacando como poucas gerações já produzem um número enorme de fissões. Em duplas: balancear a equação de fissão nêutron + urânio-235 → bário-141 + criptônio-92 + 3 nêutrons, conferindo a conservação de Z (92=56+36) e de A (1+235=141+92+3×1).

Aplicação individual (ou em duplas) da lista de exercícios de fixação (seção 8 deste plano).

Retomar a pergunta do Momento 1: a fissão libera tanta energia porque transforma um núcleo pesado, menos fortemente ligado, em núcleos de massa intermediária, mais fortemente ligados — a diferença é liberada como energia, e o fato de cada fissão gerar novos nêutrons permite (de forma controlada, num reator, ou descontrolada, numa bomba) sustentar uma reação em cadeia.