Tecnologia Nuclear - Nuclear technology

A tecnologia nuclear é a tecnologia que envolve as reações nucleares dos núcleos atômicos . Entre as tecnologias nucleares notáveis ​​estão reatores nucleares , medicina nuclear e armas nucleares . Também é usado, entre outras coisas, em detectores de fumaça e miras de armas .

História e formação científica

Descoberta

A grande maioria dos fenômenos naturais comuns na Terra envolvem apenas gravidade e eletromagnetismo , e não reações nucleares. Isso ocorre porque os núcleos atômicos geralmente são mantidos separados porque contêm cargas elétricas positivas e, portanto, se repelem.

Em 1896, Henri Becquerel investigava a fosforescência nos sais de urânio quando descobriu um novo fenômeno que veio a ser chamado de radioatividade . Ele, Pierre Curie e Marie Curie começaram a investigar o fenômeno. No processo, eles isolaram o elemento rádio , que é altamente radioativo. Eles descobriram que os materiais radioativos produzem raios intensos e penetrantes de três tipos distintos, que eles rotularam de alfa, beta e gama após as três primeiras letras gregas . Alguns desses tipos de radiação podem passar pela matéria comum e todos eles podem ser prejudiciais em grandes quantidades. Todos os primeiros pesquisadores receberam várias queimaduras de radiação , muito parecidas com queimaduras de sol , e pouco se importaram com isso.

O novo fenômeno da radioatividade foi aproveitado pelos fabricantes de remédios charlatães (assim como as descobertas da eletricidade e do magnetismo , anteriormente), e uma série de medicamentos patenteados e tratamentos envolvendo radioatividade foram apresentados.

Gradualmente, percebeu-se que a radiação produzida pela decadência radioativa era radiação ionizante e que mesmo quantidades muito pequenas para queimar poderiam representar um grave perigo a longo prazo . Muitos dos cientistas que trabalham com radioatividade morreram de câncer como resultado de sua exposição. A maioria dos medicamentos radioativos patenteados desapareceram, mas outras aplicações de materiais radioativos persistiram, como o uso de sais de rádio para produzir mostradores brilhantes em medidores .

À medida que o átomo passou a ser melhor compreendido, a natureza da radioatividade tornou-se mais clara. Alguns núcleos atômicos maiores são instáveis ​​e, portanto, decaem (liberam matéria ou energia) após um intervalo aleatório. As três formas de radiação que Becquerel e os Curie descobriram também são mais bem compreendidas. O decaimento alfa ocorre quando um núcleo libera uma partícula alfa , que é dois prótons e dois nêutrons , equivalente a um núcleo de hélio . O decaimento beta é a liberação de uma partícula beta , um elétron de alta energia . O decaimento gama libera raios gama , que ao contrário da radiação alfa e beta não são matéria, mas radiação eletromagnética de freqüência muito alta e, portanto, energia . Este tipo de radiação é o mais perigoso e mais difícil de bloquear. Todos os três tipos de radiação ocorrem naturalmente em certos elementos .

Também ficou claro que a fonte final da maior parte da energia terrestre é nuclear, seja por meio da radiação do Sol causada por reações termonucleares estelares ou pela decomposição radioativa do urânio na Terra, a principal fonte de energia geotérmica .

Ficão nuclear

Na radiação nuclear natural, os subprodutos são muito pequenos se comparados aos núcleos de onde se originam. A fissão nuclear é o processo de dividir um núcleo em partes aproximadamente iguais e liberar energia e nêutrons no processo. Se esses nêutrons forem capturados por outro núcleo instável, eles também podem se fender, levando a uma reação em cadeia . O número médio de nêutrons liberados por núcleo que vão para a fissão de outro núcleo é conhecido como k . Valores de k maiores que 1 significam que a reação de fissão está liberando mais nêutrons do que absorve e, portanto, é chamada de reação em cadeia autossustentável. Uma massa de material físsil grande o suficiente (e em uma configuração adequada) para induzir uma reação em cadeia autossustentável é chamada de massa crítica .

Quando um nêutron é capturado por um núcleo adequado, a fissão pode ocorrer imediatamente, ou o núcleo pode persistir em um estado instável por um curto período de tempo. Se houver decaimentos imediatos suficientes para continuar a reação em cadeia, diz-se que a massa é crítica imediata e a liberação de energia crescerá rápida e incontrolavelmente, geralmente levando a uma explosão.

Quando descoberto às vésperas da Segunda Guerra Mundial , esse insight levou vários países a iniciar programas investigando a possibilidade de construir uma bomba atômica - uma arma que utilizava reações de fissão para gerar muito mais energia do que poderia ser criada com explosivos químicos. O Projeto Manhattan , administrado pelos Estados Unidos com a ajuda do Reino Unido e do Canadá , desenvolveu várias armas de fissão que foram usadas contra o Japão em 1945 em Hiroshima e Nagasaki . Durante o projeto, os primeiros reatores de fissão também foram desenvolvidos, embora fossem principalmente para a fabricação de armas e não gerassem eletricidade.

Em 1951, a primeira usina de fissão nuclear foi a primeira a produzir eletricidade no Reator Criador Experimental nº 1 (EBR-1), em Arco, Idaho, inaugurando a "Era Atômica" de uso mais intensivo da energia humana.

No entanto, se a massa é crítica apenas quando os nêutrons retardados são incluídos, então a reação pode ser controlada, por exemplo, pela introdução ou remoção de absorvedores de nêutrons . É isso que permite a construção de reatores nucleares . Nêutrons rápidos não são facilmente capturados pelos núcleos; eles devem ser retardados (nêutrons lentos), geralmente por colisão com os núcleos de um moderador de nêutrons , antes que possam ser facilmente capturados. Hoje, esse tipo de fissão é comumente usado para gerar eletricidade.

Fusão nuclear

Se os núcleos forem forçados a colidir, eles podem sofrer fusão nuclear . Este processo pode liberar ou absorver energia. Quando o núcleo resultante é mais leve que o do ferro , a energia é normalmente liberada; quando o núcleo é mais pesado que o do ferro, geralmente a energia é absorvida. Esse processo de fusão ocorre nas estrelas , que derivam sua energia do hidrogênio e do hélio . Eles formam, por meio da nucleossíntese estelar , os elementos leves ( lítio para cálcio ), bem como alguns dos elementos pesados ​​(além do ferro e do níquel , por meio do processo S ). A abundância restante de elementos pesados, do níquel ao urânio e além, é devido à nucleossíntese de supernova , o processo-R .

Claro, esses processos naturais da astrofísica não são exemplos de "tecnologia" nuclear. Por causa da repulsão muito forte dos núcleos, a fusão é difícil de conseguir de maneira controlada. As bombas de hidrogênio obtêm seu enorme poder destrutivo da fusão, mas sua energia não pode ser controlada. A fusão controlada é obtida em aceleradores de partículas ; é assim que muitos elementos sintéticos são produzidos. Um fusor também pode produzir fusão controlada e é uma fonte de nêutrons útil . No entanto, ambos os dispositivos operam com uma perda líquida de energia. O poder de fusão controlado e viável provou ser evasivo, apesar do boato ocasional . Dificuldades técnicas e teóricas têm impedido o desenvolvimento da tecnologia de fusão civil em funcionamento, embora a pesquisa continue até hoje em todo o mundo.

A fusão nuclear foi inicialmente perseguida apenas em estágios teóricos durante a Segunda Guerra Mundial, quando cientistas do Projeto Manhattan (liderados por Edward Teller ) a investigaram como um método para construir uma bomba. O projeto abandonou a fusão após concluir que seria necessária uma reação de fissão para detonar. Demorou até 1952 para a primeira bomba de hidrogênio completa ser detonada, assim chamada porque usava reações entre o deutério e o trítio . As reações de fusão são muito mais energéticas por unidade de massa de combustível do que as reações de fissão, mas iniciar a reação em cadeia de fusão é muito mais difícil.

Armas nucleares

Uma arma nuclear é um dispositivo explosivo que obtém sua força destrutiva de reações nucleares , seja de fissão ou uma combinação de fissão e fusão . Ambas as reações liberam grandes quantidades de energia de quantidades relativamente pequenas de matéria. Mesmo pequenos dispositivos nucleares podem devastar uma cidade com explosão, fogo e radiação. As armas nucleares são consideradas armas de destruição em massa e seu uso e controle têm sido um aspecto importante da política internacional desde seu lançamento.

O projeto de uma arma nuclear é mais complicado do que pode parecer. Tal arma deve manter uma ou mais massas físseis subcríticas estáveis ​​para desdobramento, então induzir a criticidade (criar uma massa crítica) para detonação. Também é muito difícil garantir que tal reação em cadeia consuma uma fração significativa do combustível antes que o dispositivo se separe. A obtenção de um combustível nuclear também é mais difícil do que pode parecer, uma vez que substâncias suficientemente instáveis ​​para este processo não ocorrem naturalmente na Terra em quantidades adequadas.

Um isótopo de urânio , nomeadamente o urânio-235, ocorre naturalmente e é suficientemente instável, mas é sempre encontrado misturado com o isótopo mais estável urânio-238. Este último representa mais de 99% do peso do urânio natural. Portanto, algum método de separação de isótopos com base no peso de três nêutrons deve ser realizado para enriquecer (isolar) o urânio-235.

Alternativamente, o elemento plutônio possui um isótopo que é suficientemente instável para que este processo seja utilizável. Atualmente, o plutônio terrestre não ocorre naturalmente em quantidades suficientes para tal uso, portanto, deve ser fabricado em um reator nuclear .

Em última análise, o Projeto Manhattan fabricou armas nucleares com base em cada um desses elementos. Eles detonaram a primeira arma nuclear em um teste de codinome " Trinity ", perto de Alamogordo , Novo México , em 16 de julho de 1945. O teste foi realizado para garantir que o método de detonação de implosão funcionaria, o que realmente aconteceu. Uma bomba de urânio, Little Boy , foi lançada na cidade japonesa de Hiroshima em 6 de agosto de 1945, seguida três dias depois pelo Fat Man baseado em plutônio em Nagasaki . Na esteira de uma devastação sem precedentes e baixas causadas por uma única arma, o governo japonês logo se rendeu, encerrando a Segunda Guerra Mundial .

Desde esses bombardeios , nenhuma arma nuclear foi implantada ofensivamente. No entanto, eles levaram a uma corrida armamentista para desenvolver bombas cada vez mais destrutivas para fornecer um dissuasor nuclear . Pouco mais de quatro anos depois, em 29 de agosto de 1949, a União Soviética detonou sua primeira arma de fissão . O Reino Unido seguiu em 2 de outubro de 1952; França , em 13 de fevereiro de 1960; e a China como componente de uma arma nuclear. Aproximadamente metade das mortes de Hiroshima e Nagasaki morreram dois a cinco anos depois da exposição à radiação. Uma arma radiológica é um tipo de arma nuclear projetada para distribuir material nuclear perigoso em áreas inimigas. Essa arma não teria a capacidade explosiva de uma bomba de fissão ou fusão, mas mataria muitas pessoas e contaminaria uma grande área. Uma arma radiológica nunca foi implantada. Embora considerada inútil por militares convencionais, tal arma levanta preocupações sobre o terrorismo nuclear .

Foram realizados mais de 2.000 testes nucleares desde 1945. Em 1963, todos os estados nucleares e muitos não-nucleares assinaram o Tratado de Proibição Limitada de Testes , prometendo abster-se de testar armas nucleares na atmosfera, debaixo d'água ou no espaço sideral . O tratado permitia testes nucleares subterrâneos . A França continuou os testes atmosféricos até 1974, enquanto a China continuou até 1980. O último teste subterrâneo pelos Estados Unidos foi em 1992, a União Soviética em 1990, o Reino Unido em 1991 e a França e a China continuaram os testes até 1996. Após a assinatura o Tratado de Proibição de Testes Abrangentes em 1996 (que em 2011 não havia entrado em vigor), todos esses estados se comprometeram a descontinuar todos os testes nucleares. Índia e Paquistão não signatários testaram armas nucleares pela última vez em 1998.

As armas nucleares são as armas mais destrutivas conhecidas - as armas arquetípicas de destruição em massa . Durante a Guerra Fria , as potências oponentes possuíam enormes arsenais nucleares, suficientes para matar centenas de milhões de pessoas. Gerações de pessoas cresceram sob a sombra da devastação nuclear, retratada em filmes como Dr. Strangelove e The Atomic Cafe .

No entanto, a tremenda liberação de energia na detonação de uma arma nuclear também sugeriu a possibilidade de uma nova fonte de energia.

Usos civis

Poder nuclear

A energia nuclear é um tipo de tecnologia nuclear que envolve o uso controlado da fissão nuclear para liberar energia para o trabalho, incluindo propulsão, calor e geração de eletricidade. A energia nuclear é produzida por uma reação em cadeia nuclear controlada que cria calor - e que é usada para ferver água, produzir vapor e acionar uma turbina a vapor. A turbina é usada para gerar eletricidade e / ou fazer trabalhos mecânicos.

Atualmente a energia nuclear fornece aproximadamente 15,7% da eletricidade mundial (em 2004) e é usada para impulsionar porta-aviões , quebra - gelos e submarinos (até agora a economia e os temores em alguns portos impediram o uso da energia nuclear em navios de transporte). Todas as usinas nucleares usam fissão. Nenhuma reação de fusão feita pelo homem resultou em uma fonte viável de eletricidade.

Aplicações médicas

As aplicações médicas da tecnologia nuclear são divididas em diagnósticos e tratamento por radiação.

Imagem - O maior uso da radiação ionizante na medicina é na radiografia médica para fazer imagens do interior do corpo humano por meio de raios-x. Esta é a maior fonte artificial de exposição à radiação para humanos. Os imageadores de raios-x médicos e odontológicos usam cobalto-60 ou outras fontes de raios-x. Vários radiofármacos são usados, às vezes ligados a moléculas orgânicas, para atuar como traçadores radioativos ou agentes de contraste no corpo humano. Os nucleotídeos emissores de pósitrons são usados ​​para imagens de alta resolução e curto intervalo de tempo em aplicações conhecidas como tomografia por emissão de pósitrons .

A radiação também é usada para tratar doenças em terapia de radiação .

Aplicações industriais

Uma vez que algumas radiações ionizantes podem penetrar na matéria, elas são usadas para uma variedade de métodos de medição. Os raios X e os raios gama são usados ​​na radiografia industrial para fazer imagens do interior de produtos sólidos, como meio de teste e inspeção não destrutivos . A peça a ser radiografada é colocada entre a fonte e um filme fotográfico em um cassete. Após um determinado tempo de exposição, o filme é revelado e apresenta eventuais defeitos internos do material.

Medidores - os medidores usam a lei de absorção exponencial dos raios gama

• Indicadores de nível: a fonte e o detector são colocados em lados opostos de um recipiente, indicando a presença ou ausência de material no caminho de radiação horizontal. Fontes beta ou gama são usadas, dependendo da espessura e da densidade do material a ser medido. O método é usado para recipientes de líquidos ou de substâncias granuladas
• Medidores de espessura: se o material for de densidade constante, o sinal medido pelo detector de radiação depende da espessura do material. Isso é útil para produção contínua, como de papel, borracha, etc.

Controle eletrostático - Para evitar o acúmulo de eletricidade estática na produção de papel, plásticos, têxteis sintéticos, etc., uma fonte em forma de fita do emissor alfa ²⁴¹ Am pode ser colocada perto do material no final da linha de produção . A fonte ioniza o ar para remover cargas elétricas do material.

Traçadores radioativos - Como os isótopos radioativos se comportam, quimicamente, principalmente como o elemento inativo, o comportamento de uma determinada substância química pode ser seguido pelo rastreamento da radioatividade. Exemplos:

• Adicionar um rastreador gama a um gás ou líquido em um sistema fechado torna possível encontrar um orifício em um tubo.
• A adição de um traçador na superfície do componente de um motor permite medir o desgaste medindo a atividade do óleo lubrificante.

Exploração de petróleo e gás - O registro de poços nucleares é usado para ajudar a prever a viabilidade comercial de poços novos ou existentes. A tecnologia envolve o uso de uma fonte de nêutrons ou raios gama e um detector de radiação que são baixados em poços para determinar as propriedades da rocha circundante, como porosidade e litografia. [1]

Construção de estradas - Medidores de umidade / densidade nuclear são usados ​​para determinar a densidade de solos, asfalto e concreto. Normalmente, uma fonte de césio-137 é usada.

Aplicações comerciais

• radioluminescência
• iluminação de trítio : o trítio é usado com fósforo na mira de rifle para aumentar a precisão dos disparos noturnos. Alguns marcadores de pista e sinais de saída de edifícios usam a mesma tecnologia para permanecer iluminados durante blecautes.
• Betavoltaica .
• Detector de fumaça: um detector de fumaça de ionização inclui uma pequena massa de amerício radioativo -241, que é uma fonte de radiação alfa . Duas câmaras de ionização são colocadas lado a lado. Ambos contêm uma pequena fonte de ²⁴¹ Am que dá origem a uma pequena corrente constante. Um é fechado e serve para comparação, o outro é aberto ao ar ambiente; ele tem um eletrodo em grade. Quando a fumaça entra na câmara aberta, a corrente é interrompida quando as partículas de fumaça se fixam aos íons carregados e os restauram a um estado elétrico neutro. Isso reduz a corrente na câmara aberta. Quando a corrente cai abaixo de um certo limite, o alarme é acionado.

Processamento de alimentos e agricultura

Em biologia e agricultura , a radiação é usada para induzir mutações para produzir espécies novas ou melhoradas, como na jardinagem atômica . Outro uso no controle de insetos é a técnica do inseto estéril , onde os insetos machos são esterilizados por radiação e liberados, para que não tenham filhos, para reduzir a população.

Em aplicações industriais e alimentares, a radiação é usada para esterilização de ferramentas e equipamentos. Uma vantagem é que o objeto pode ser lacrado em plástico antes da esterilização. Um uso emergente na produção de alimentos é a esterilização de alimentos por irradiação de alimentos .

A irradiação de alimentos é o processo de exposição dos alimentos à radiação ionizante para destruir microorganismos , bactérias , vírus ou insetos que possam estar presentes nos alimentos. As fontes de radiação usadas incluem fontes de raios gama de radioisótopos, geradores de raios X e aceleradores de elétrons. Outras aplicações incluem inibição de brotos, retardo do amadurecimento, aumento da produção de suco e melhoria da reidratação. Irradiação é um termo mais geral de exposição deliberada de materiais à radiação para atingir um objetivo técnico (neste contexto, 'radiação ionizante' está implícita). Como tal, também é usado em itens não alimentares, como hardware médico, plásticos, tubos para gasodutos, mangueiras para aquecimento de piso, folhas retráteis para embalagens de alimentos, peças de automóveis, fios e cabos (isolamento), pneus, e até mesmo pedras preciosas. Comparado com a quantidade de alimentos irradiados, o volume dessas aplicações do dia-a-dia é enorme, mas não é percebido pelo consumidor.

O efeito genuíno do processamento de alimentos por radiação ionizante está relacionado a danos ao DNA , a informação genética básica para a vida. Os microrganismos não podem mais proliferar e continuar suas atividades malignas ou patogênicas. Microrganismos causadores de deterioração não podem continuar suas atividades. Os insetos não sobrevivem ou se tornam incapazes de procriar. As plantas não podem continuar o processo natural de amadurecimento ou envelhecimento. Todos esses efeitos são benéficos para o consumidor e também para a indústria alimentícia.

A quantidade de energia transmitida para a irradiação de alimentos eficaz é baixa em comparação com o cozimento dos mesmos; mesmo com uma dose típica de 10 kGy, a maioria dos alimentos, que é (em relação ao aquecimento) fisicamente equivalente à água, aqueceria apenas cerca de 2,5 ° C (4,5 ° F).

A especialidade do processamento de alimentos por radiação ionizante é o fato de que a densidade de energia por transição atômica é muito alta, podendo clivar moléculas e induzir ionização (daí o nome) que não pode ser alcançada por mero aquecimento. Essa é a razão de novos efeitos benéficos, mas ao mesmo tempo, de novas preocupações. O tratamento de alimentos sólidos por radiação ionizante pode proporcionar um efeito semelhante à pasteurização térmica de líquidos, como o leite. No entanto, o uso do termo pasteurização a frio para descrever alimentos irradiados é controverso, porque pasteurização e irradiação são processos fundamentalmente diferentes, embora os resultados finais pretendidos possam, em alguns casos, ser semelhantes.

Os detratores da irradiação de alimentos se preocupam com os perigos da radioatividade induzida para a saúde . Um relatório para o grupo de defesa da indústria American Council on Science and Health intitulado "Irradiated Foods" afirma: "Os tipos de fontes de radiação aprovadas para o tratamento de alimentos têm níveis de energia específicos bem abaixo do que faria com que qualquer elemento dos alimentos se tornasse radioativo. Alimentos submetidos à irradiação não se tornam mais radioativos do que bagagens que passam por um scanner de raio-X de aeroporto ou dentes que foram radiografados. "

A irradiação de alimentos é permitida atualmente em mais de 40 países e os volumes são estimados em mais de 500.000 toneladas métricas (490.000 toneladas longas; 550.000 toneladas curtas) anualmente em todo o mundo.

A irradiação de alimentos é essencialmente uma tecnologia não nuclear; depende do uso de radiação ionizante que pode ser gerada por aceleradores de elétrons e conversão em bremsstrahlung, mas que também pode usar raios gama do decaimento nuclear. Existe uma indústria mundial de processamento por radiação ionizante, a maioria em número e por potência de processamento por meio de aceleradores. A irradiação de alimentos é apenas uma aplicação de nicho em comparação com suprimentos médicos, materiais plásticos, matérias-primas, pedras preciosas, cabos e fios, etc.

Acidentes

Os acidentes nucleares, devido às poderosas forças envolvidas, costumam ser muito perigosos. Historicamente, os primeiros incidentes envolveram exposição fatal à radiação . Marie Curie morreu de anemia aplástica resultante de seus altos níveis de exposição. Dois cientistas, um americano e um canadense, respectivamente, Harry Daghlian e Louis Slotin , morreram após o manuseio incorreto da mesma massa de plutônio . Ao contrário das armas convencionais, a luz intensa, o calor e a força explosiva não são os únicos componentes mortais de uma arma nuclear. Aproximadamente metade das mortes de Hiroshima e Nagasaki morreram dois a cinco anos depois de exposição à radiação.

Os acidentes nucleares e radiológicos civis envolvem principalmente usinas nucleares. Os mais comuns são os vazamentos nucleares que expõem os trabalhadores a materiais perigosos. Um derretimento nuclear refere-se ao risco mais sério de liberação de material nuclear no meio ambiente. Os colapsos mais significativos ocorreram em Three Mile Island, na Pensilvânia, e em Chernobyl, na Ucrânia soviética . O terremoto e o tsunami em 11 de março de 2011 causaram sérios danos a três reatores nucleares e a um tanque de armazenamento de combustível irradiado na usina nuclear de Fukushima Daiichi, no Japão. Os reatores militares que sofreram acidentes semelhantes foram Windscale no Reino Unido e SL-1 nos Estados Unidos.

Os acidentes militares geralmente envolvem a perda ou detonação inesperada de armas nucleares. O teste Castle Bravo em 1954 produziu um rendimento maior do que o esperado, que contaminou as ilhas próximas, um barco de pesca japonês (com uma fatalidade), e levantou preocupações sobre peixes contaminados no Japão. Nas décadas de 1950 a 1970, várias bombas nucleares foram perdidas de submarinos e aeronaves, algumas das quais nunca foram recuperadas. Nos últimos vinte anos, assistimos a um declínio acentuado desses acidentes.

Veja também

• Idade atômica
• Listas de desastres nucleares e incidentes radioativos
• Debate sobre energia nuclear
• Esboço da tecnologia nuclear

Referências

links externos

• Instituto de Energia Nuclear - Usos Benéficos da Radiação
• Tecnologia Nuclear
• Centro Nacional de Desenvolvimento de Isótopos - fonte governamental de isótopos para ciência nuclear básica e aplicada e tecnologia nuclear - produção, pesquisa, desenvolvimento, distribuição e informação