Transmutação nuclear - Nuclear transmutation

O Sol é um reator de fusão natural e transmuta elementos leves em elementos mais pesados ​​por meio da nucleossíntese estelar , uma forma de fusão nuclear .

A transmutação nuclear é a conversão de um elemento químico ou isótopo em outro elemento químico. A transmutação nuclear ocorre em qualquer processo onde o número de prótons ou nêutrons no núcleo de um átomo é alterado.

Uma transmutação pode ser alcançada por reações nucleares (nas quais uma partícula externa reage com um núcleo) ou por decaimento radioativo , onde nenhuma causa externa é necessária.

A transmutação natural por nucleossíntese estelar no passado criou a maioria dos elementos químicos mais pesados ​​no universo existente conhecido e continua a ocorrer até hoje, criando a vasta maioria dos elementos mais comuns no universo, incluindo hélio , oxigênio e carbono . A maioria das estrelas realiza a transmutação por meio de reações de fusão envolvendo hidrogênio e hélio, enquanto estrelas muito maiores também são capazes de fundir elementos mais pesados ​​em ferro no final de sua evolução.

Elementos mais pesados ​​que o ferro, como ouro ou chumbo , são criados por meio de transmutações elementares que só podem ocorrer naturalmente em supernovas . À medida que as estrelas começam a fundir elementos mais pesados, substancialmente menos energia é liberada de cada reação de fusão. Isso continua até atingir o ferro, que é produzido por uma reação endotérmica que consome energia. Nenhum elemento mais pesado pode ser produzido em tais condições.

Um tipo de transmutação natural observável no presente ocorre quando certos elementos radioativos presentes na natureza decaem espontaneamente por um processo que causa a transmutação, como o decaimento alfa ou beta . Um exemplo é a decomposição natural do potássio-40 em argônio-40 , que forma a maior parte do argônio do ar. Também na Terra, ocorrem transmutações naturais de diferentes mecanismos de reações nucleares naturais , devido ao bombardeio de raios cósmicos de elementos (por exemplo, para formar carbono-14 ), e também ocasionalmente do bombardeio de nêutrons naturais (por exemplo, ver reator de fissão nuclear natural )

A transmutação artificial pode ocorrer em máquinas que possuem energia suficiente para causar mudanças na estrutura nuclear dos elementos. Essas máquinas incluem aceleradores de partículas e reatores tokamak . Os reatores de fissão convencionais também causam transmutação artificial, não a partir da potência da máquina, mas ao expor elementos a nêutrons produzidos pela fissão de uma reação em cadeia nuclear produzida artificialmente . Por exemplo, quando um átomo de urânio é bombardeado com nêutrons lentos, ocorre a fissão. Isso libera, em média, 3 nêutrons e uma grande quantidade de energia. Os nêutrons liberados então causam a fissão de outros átomos de urânio, até que todo o urânio disponível se esgote. Isso é chamado de reação em cadeia .

A transmutação nuclear artificial foi considerada como um possível mecanismo para reduzir o volume e o risco de rejeitos radioativos .

História

Alquimia

O termo transmutação remonta à alquimia . Os alquimistas perseguiram a pedra filosofal , capaz de crisopéia - a transformação de metais básicos em ouro. Enquanto os alquimistas frequentemente entendiam a crisopéia como uma metáfora para um processo místico ou religioso, alguns praticantes adotaram uma interpretação literal e tentaram fazer ouro por meio de experimentos físicos. A impossibilidade da transmutação metálica tem sido debatida entre alquimistas, filósofos e cientistas desde a Idade Média. A transmutação pseudoalquímica foi proibida e ridicularizada publicamente no início do século XIV. Alquimistas como Michael Maier e Heinrich Khunrath escreveram tratados expondo alegações fraudulentas de fabricação de ouro. Na década de 1720, não havia mais nenhuma figura respeitável perseguindo a transmutação física de substâncias em ouro. Antoine Lavoisier , no século 18, substituiu a teoria alquímica dos elementos pela teoria moderna dos elementos químicos, e John Dalton desenvolveu ainda mais a noção de átomos (da teoria alquímica dos corpúsculos ) para explicar vários processos químicos. A desintegração dos átomos é um processo distinto que envolve energias muito maiores do que as que poderiam ser alcançadas pelos alquimistas.

Física moderna

Foi aplicado conscientemente à física moderna por Frederick Soddy quando ele, junto com Ernest Rutherford em 1901, descobriu que o tório radioativo estava se convertendo em rádio . No momento da realização, Soddy lembrou mais tarde, ele gritou: "Rutherford, isso é transmutação!" Rutherford retrucou: "Pelo amor de Deus, Soddy, não chame isso de transmutação . Eles vão arrancar nossas cabeças como alquimistas."

Rutherford e Soddy estavam observando a transmutação natural como parte da decadência radioativa do tipo de decaimento alfa . A primeira transmutação artificial foi realizada em 1925 por Patrick Blackett , um pesquisador que trabalhava para Rutherford, com a transmutação do nitrogênio em oxigênio , usando partículas alfa direcionadas ao nitrogênio ¹⁴ N + α → ¹⁷ O + p. Rutherford havia mostrado em 1919 que um próton (ele o chamou de átomo de hidrogênio) foi emitido por experimentos de bombardeio alfa, mas ele não tinha informações sobre o núcleo residual. Os experimentos de Blackett de 1921-1924 forneceram a primeira evidência experimental de uma reação de transmutação nuclear artificial. Blackett identificou corretamente o processo de integração subjacente e a identidade do núcleo residual. Em 1932, uma reação nuclear totalmente artificial e uma transmutação nuclear foram alcançadas pelos colegas de Rutherford, John Cockcroft e Ernest Walton , que usaram prótons artificialmente acelerados contra o lítio-7 para dividir o núcleo em duas partículas alfa. O feito era popularmente conhecido como "divisão do átomo", embora não fosse a reação de fissão nuclear moderna descoberta em 1938 por Otto Hahn , Lise Meitner e seu assistente Fritz Strassmann em elementos pesados.

Mais tarde, no século XX, a transmutação de elementos dentro das estrelas foi elaborada, explicando a abundância relativa de elementos mais pesados ​​no universo. Exceto pelos primeiros cinco elementos, que foram produzidos no Big Bang e outros processos de raios cósmicos , a nucleossíntese estelar foi responsável pela abundância de todos os elementos mais pesados ​​que o boro . Em seu artigo de 1957, Synthesis of the Elements in Stars , William Alfred Fowler , Margaret Burbidge , Geoffrey Burbidge e Fred Hoyle explicaram como as abundâncias de praticamente todos os elementos químicos, exceto os mais leves, poderiam ser explicadas pelo processo de nucleossíntese nas estrelas.

Sob a verdadeira transmutação nuclear, é muito mais fácil transformar ouro em chumbo do que a reação reversa, que foi a que os alquimistas perseguiram com ardor. Seria mais fácil converter ouro em chumbo por meio da captura de nêutrons e do decaimento beta , deixando ouro em um reator nuclear por um longo período de tempo.

Glenn Seaborg produziu vários milhares de átomos de ouro do bismuto , mas com prejuízo líquido.

Para obter mais informações sobre a síntese de ouro, consulte Síntese de metais preciosos .

¹⁹⁷ Au + n → ¹⁹⁸ Au ( meia-vida 2,7 dias) → ¹⁹⁸ Hg + n → ¹⁹⁹ Hg + n → ²⁰⁰ Hg + n → ²⁰¹ Hg + n → ²⁰² Hg + n → ²⁰³ Hg (meia-vida 47 dias) → ²⁰³ Tl + n → ²⁰⁴ Tl (meia-vida 3,8 anos) → ²⁰⁴ Pb

Transmutação no universo

O Big Bang é pensado para ser a origem do hidrogênio (incluindo todos deutério ) e hélio no universo. O hidrogênio e o hélio juntos respondem por 98% da massa da matéria comum no universo, enquanto os outros 2% compõem todo o resto. O Big Bang também produziu pequenas quantidades de lítio , berílio e talvez boro . Mais lítio, berílio e boro foram produzidos posteriormente, em uma reação nuclear natural, fragmentação de raios cósmicos .

A nucleossíntese estelar é responsável por todos os outros elementos que ocorrem naturalmente no universo como isótopos estáveis e nuclídeos primordiais , do carbono ao urânio . Isso ocorreu após o Big Bang, durante a formação de estrelas. Alguns elementos mais leves, do carbono ao ferro, foram formados nas estrelas e liberados no espaço por estrelas com ramos gigantes assintóticos (AGB). Trata-se de um tipo de gigante vermelha que "expele" sua atmosfera externa, contendo alguns elementos que vão do carbono ao níquel e ferro. Todos os elementos com peso atómico superior a 64 unidades de massa atómica são produzidos em supernovas estrelas através de captura de neutrões , que sub-divide-se em dois processos: o processo r e s-processo .

O sistema solar é pensado para ter condensado aproximadamente 4,6 bilhão anos antes do presente, a partir de uma nuvem de hidrogénio e hélio contendo elementos mais pesados em grãos de poeira formadas previamente por um grande número de tais estrelas. Esses grãos continham os elementos mais pesados ​​formados por transmutação no início da história do universo.

Todos esses processos naturais de transmutação nas estrelas continuam hoje, em nossa própria galáxia e em outras. As estrelas fundem hidrogênio e hélio em elementos cada vez mais pesados ​​para produzir energia. Por exemplo, as curvas de luz observadas de estrelas supernovas como SN 1987A mostram-nas lançando grandes quantidades (comparáveis ​​à massa da Terra) de níquel radioativo e cobalto para o espaço. No entanto, pouco desse material chega à Terra. A maior parte da transmutação natural na Terra hoje é mediada por raios cósmicos (como a produção de carbono-14 ) e pela decadência radioativa de nuclídeos primordiais radioativos remanescentes da formação inicial do sistema solar (como potássio-40 , urânio e tório ), além do decaimento radioativo de produtos desses nuclídeos (rádio, radônio, polônio, etc.). Veja cadeia de decaimento .

Transmutação artificial de lixo nuclear

Visão geral

Transmutação de elementos de transurânio (ou seja, actinídeos menos actínio em urânio ), como os isótopos de plutônio (cerca de 1% em peso no combustível nuclear usado em reatores de água leve ou os actinídeos menores (MAs, ou seja , neptúnio , amerício e cúrio ), cerca de 0,1 peso % de cada em combustível nuclear usado em reatores de água leve) tem o potencial de ajudar a resolver alguns problemas colocados pelo gerenciamento de rejeitos radioativos , reduzindo a proporção de isótopos de vida longa que ele contém. (Isso não descarta a necessidade de um repositório geológico profundo para resíduos de alto nível radioativo .) Quando irradiados com nêutrons rápidos em um reator nuclear , esses isótopos podem sofrer fissão nuclear , destruindo o isótopo actinídeo original e produzindo um espectro de radioativos e não radioativos produtos de fissão .

Alvos cerâmicos contendo actinídeos podem ser bombardeados com nêutrons para induzir reações de transmutação para remover as espécies de vida longa mais difíceis. Estes podem consistir em soluções sólidas contendo actinídeo, tais como (Am, Zr) N , (Am, Y) N , (Zr, Cm) O
2, (Zr, Cm, Am) O
2, (Zr, Am, Y) O
2ou apenas fases de actinídeo, como AmO
2, NpO
2, NpN , AmN misturado com algumas fases inertes, como MgO , MgAl
2O
4, (Zr, Y) O
2, TiN e ZrN . O papel das fases inertes não radioativas é principalmente fornecer comportamento mecânico estável ao alvo sob irradiação de nêutrons.

No entanto, existem problemas com esta estratégia de P&T (particionamento e transmutação):

• primeiro, é limitado pela necessidade cara e incômoda de separar isótopos de produtos de fissão de vida longa antes que eles possam sofrer transmutação.
• também, alguns produtos de fissão de vida longa, devido às suas pequenas seções transversais de captura de nêutrons, são incapazes de capturar nêutrons suficientes para que a transmutação efetiva ocorra.

O novo estudo liderado por Satoshi Chiba da Tokyo Tech (chamado "Método para Reduzir Produtos de Fissão de Longa Vida por Transmutações Nucleares com Reatores de Espectro Rápido") mostra que a transmutação eficaz de produtos de fissão de longa duração pode ser alcançada em reatores de espectro rápido sem a necessidade para separação de isótopos. Isso pode ser conseguido adicionando um moderador de deutereto de ítrio .

Tipos de reator

Por exemplo, o plutônio pode ser reprocessado em combustíveis de óxidos mistos e transmutado em reatores padrão. Os elementos mais pesados ​​poderiam ser transmutados em reatores rápidos , mas provavelmente de forma mais eficaz em um reator subcrítico que às vezes é conhecido como um amplificador de energia e que foi idealizado por Carlo Rubbia . Fontes de nêutrons de fusão também foram propostas como bem adequadas.

Tipos de combustível

Existem diversos combustíveis que podem incorporar o plutônio em sua composição inicial no início do ciclo e ter uma quantidade menor desse elemento no final do ciclo. Durante o ciclo, o plutônio pode ser queimado em um reator de energia, gerando eletricidade. Este processo não é apenas interessante do ponto de vista de geração de energia, mas também devido à sua capacidade de consumir o excesso de plutônio para armas do programa de armas e o plutônio resultante do reprocessamento do combustível nuclear usado.

Combustível de óxido misto é um deles. Sua mistura de óxidos de plutônio e urânio constitui uma alternativa ao combustível de urânio pouco enriquecido usado predominantemente em reatores de água leve. Uma vez que o urânio está presente no óxido misto, embora o plutônio seja queimado, o plutônio de segunda geração será produzido através da captura radiativa do U-238 e dos dois decaimentos beta subseqüentes.

Combustíveis com plutônio e tório também são uma opção. Nestes, os nêutrons liberados na fissão do plutônio são capturados pelo Th-232. Após esta captura radiativa, Th-232 torna-se Th-233, que sofre dois decaimentos beta menos, resultando na produção do isótopo físsil U-233. A seção transversal de captura radiativa para Th-232 é mais de três vezes a do U-238, resultando em uma conversão mais alta em combustível físsil do que a do U-238. Devido à ausência de urânio no combustível, não há produção de plutônio de segunda geração, e a quantidade de plutônio queimado será maior do que em combustíveis de óxido misto. No entanto, o U-233, que é físsil, estará presente no combustível nuclear usado. O plutônio para armas e para reatores pode ser usado em combustíveis de plutônio-tório, sendo o plutônio para armas o que apresenta maior redução na quantidade de Pu-239.

Produtos de fissão de longa vida

Alguns produtos de fissão radioativos podem ser convertidos em radioisótopos de vida mais curta por transmutação. A transmutação de todos os produtos da fissão com meia-vida superior a um ano é estudada em Grenoble, com resultados variados.

Sr-90 e Cs-137 , com meia-vida de cerca de 30 anos, são os maiores emissores de radiação (incluindo calor) em combustível nuclear usado em uma escala de décadas a ~ 305 anos (Sn-121m é insignificante devido ao baixo rendimento ), e não são facilmente transmutados porque têm seções transversais de baixa absorção de nêutrons . Em vez disso, eles devem simplesmente ser armazenados até que se deteriorem. Dado que esse tempo de armazenamento é necessário, os produtos da fissão com meia-vida mais curta também podem ser armazenados até sua decomposição.

O próximo produto de fissão de vida mais longa é o Sm-151 , que tem meia-vida de 90 anos e é um absorvedor de nêutrons tão bom que a maior parte dele é transmutado enquanto o combustível nuclear ainda está sendo usado; no entanto, transmutar efetivamente o Sm-151 restante em lixo nuclear exigiria a separação de outros isótopos de samário . Dadas as quantidades menores e sua radioatividade de baixa energia, Sm-151 é menos perigoso do que Sr-90 e Cs-137 e também pode ser deixado para decair por ~ 970 anos.

Finalmente, existem 7 produtos de fissão de longa duração . Eles têm meias-vidas muito mais longas, na faixa de 211.000 a 15,7 milhões de anos. Dois deles, Tc-99 e I-129 , são móveis o suficiente no ambiente para serem perigos potenciais, são livres ou quase não se misturam com isótopos estáveis ​​do mesmo elemento e têm seções transversais de nêutrons que são pequenas, mas adequadas para suportar transmutação. Além disso, o Tc-99 pode substituir o U-238 no fornecimento de ampliação Doppler para feedback negativo para estabilidade do reator. A maioria dos estudos de esquemas de transmutação propostos assumiram ⁹⁹ Tc , ¹²⁹ I e elementos de transurânio como os alvos para a transmutação, com outros produtos de fissão, produtos de ativação e possivelmente urânio reprocessado remanescente como resíduo.

Dos 5 produtos de fissão de vida longa restantes, Se-79 , Sn-126 e Pd-107 são produzidos apenas em pequenas quantidades (pelo menos nos atuais nêutrons térmicos , reatores de água leve queimando U-235 ) e os dois últimos deveriam ser relativamente inerte. Os outros dois, Zr-93 e Cs-135 , são produzidos em grandes quantidades, mas também não são altamente móveis no meio ambiente. Eles também são misturados com grandes quantidades de outros isótopos do mesmo elemento.

Veja também

• Ativação de nêutrons
• Poder nuclear
• Lista de tecnologias de tratamento de resíduos nucleares
• Síntese de metais preciosos
• Material fértil

Referências

links externos

• "Mudança radioativa", artigo de Rutherford & Soddy (1903), online e analisado no Bibnum [clique 'à télécharger' para a versão em inglês] .