Durante as férias de Natal de 1938, os físicos Lise Meitner e Otto Frisch receberam notícias científicas intrigantes em uma carta particular do químico nuclear Otto Hahn. Ao bombardear urânio com nêutrons, Hahn fez algumas observações surpreendentes que contradiziam tudo o que se sabia na época sobre os densos núcleos de átomos - seus núcleos.
Meitner e Frisch foram capazes de fornecer uma explicação para o que ele viu que revolucionaria o campo da física nuclear: um núcleo de urânio poderia se dividir na metade - ou fissão, como eles o chamavam - produzindo dois novos núcleos, chamados fragmentos de fissão. Mais importante, esse processo de fissão libera enormes quantidades de energia. Essa descoberta no início da Segunda Guerra Mundial foi o início de uma corrida científica e militar para entender e usar essa nova fonte atômica de poder.
Leo Szilard dá palestras sobre o processo de fissão (Argonne National Laboratory, CC BY-NC-SA) A divulgação dessas descobertas para a comunidade acadêmica imediatamente inspirou muitos cientistas nucleares a investigar o processo de fissão nuclear. O físico Leo Szilard fez uma importante descoberta: se a fissão emite nêutrons, e os nêutrons podem induzir a fissão, então os nêutrons da fissão de um núcleo podem causar a fissão de outro núcleo. Tudo poderia acontecer em cascata em um processo "cadeia" auto-sustentável.
Assim começou a busca para provar experimentalmente que uma reação nuclear em cadeia era possível - e, 75 anos atrás, pesquisadores da Universidade de Chicago conseguiram, abrindo as portas para o que se tornaria a era nuclear.
Aproveitando a fissão
Como parte do esforço do Projeto Manhattan para construir uma bomba atômica durante a Segunda Guerra Mundial, Szilard trabalhou junto com o físico Enrico Fermi e outros colegas da Universidade de Chicago para criar o primeiro reator nuclear experimental do mundo.
Para uma reação em cadeia controlada e controlada, cada fissão deve induzir apenas uma fissão adicional. Mais e haverá uma explosão. Menos e a reação se esgotaria.
O vencedor do prémio Nobel, Enrico Fermi, liderou o projecto (Argonne National Laboratory, CC BY-NC-SA) Em estudos anteriores, Fermi descobrira que os núcleos de urânio absorveriam mais facilmente os nêutrons se os nêutrons estivessem se movendo relativamente devagar. Mas os nêutrons emitidos da fissão de urânio são rápidos. Assim, para o experimento de Chicago, os físicos usaram grafite para desacelerar os nêutrons emitidos, através de múltiplos processos de dispersão. A ideia era aumentar as chances de os nêutrons serem absorvidos por outro núcleo de urânio.
Para garantir que pudessem controlar com segurança a reação em cadeia, a equipe montou o que eles chamavam de “barras de controle”. Essas eram simplesmente folhas do elemento cádmio, um excelente absorvedor de nêutrons. Os físicos intercalavam barras de controle através da pilha de grafite de urânio. A cada passo do processo, Fermi calculou a emissão esperada de neutrons e, lentamente, removeu uma haste de controle para confirmar suas expectativas. Como mecanismo de segurança, as hastes de controle de cádmio poderiam ser inseridas rapidamente se algo começasse a dar errado, para interromper a reação em cadeia.
Chicago Pile 1, erguido em 1942 nas arquibancadas de um campo de atletismo na Universidade de Chicago. (Laboratório Nacional de Argonne, CC BY-NC-SA) Eles chamaram esta configuração de 20x6x25 pés Chicago Pile Number One, ou CP-1 - e foi aqui que eles obtiveram a primeira reação em cadeia nuclear controlada em 2 de dezembro de 1942. Um único nêutron aleatório foi suficiente para iniciar o processo de reação em cadeia uma vez que os físicos montaram CP-1. O primeiro nêutron induziria a fissão em um núcleo de urânio, emitindo um conjunto de novos nêutrons. Esses nêutrons secundários atingem núcleos de carbono no grafite e diminuem a velocidade. Então eles se depararam com outros núcleos de urânio e induziram uma segunda rodada de reações de fissão, emitiram ainda mais nêutrons, e assim por diante. As hastes de controle de cádmio garantiam que o processo não continuasse indefinidamente, porque Fermi e sua equipe podiam escolher exatamente como e onde inseri-los para controlar a reação em cadeia.
Uma reação em cadeia nuclear. Setas verdes mostram a divisão de um núcleo de urânio em dois fragmentos de fissão, emitindo novos nêutrons. Alguns desses nêutrons podem induzir novas reações de fissão (setas pretas). Alguns dos nêutrons podem ser perdidos em outros processos (setas azuis). Setas vermelhas mostram os nêutrons atrasados que vêm depois dos fragmentos de fissão radioativa e que podem induzir novas reações de fissão. (MikeRun modificado por Erin O'Donnell, MSU, CC BY-SA) Controlar a reação em cadeia era extremamente importante: se o equilíbrio entre os nêutrons produzidos e absorvidos não estivesse exatamente correto, então as reações em cadeia ou não prosseguiriam, ou no outro extremo muito mais perigoso, as reações em cadeia se multiplicariam rapidamente com a liberação. de enormes quantidades de energia.
Às vezes, alguns segundos após a fissão ocorre em uma reação nuclear em cadeia, nêutrons adicionais são liberados. Os fragmentos de fissão são tipicamente radioativos e podem emitir diferentes tipos de radiação, entre eles nêutrons. Imediatamente, Enrico Fermi, Leo Szilard, Eugene Wigner e outros reconheceram a importância desses chamados “neutrons atrasados” no controle da reação em cadeia.
Se não fossem levados em conta, esses nêutrons adicionais induziriam mais reações de fissão do que o previsto. Como resultado, a reação nuclear em cadeia em seu experimento em Chicago poderia ter saído do controle, com resultados potencialmente devastadores. Mais importante, no entanto, esse intervalo de tempo entre a fissão e a liberação de mais nêutrons permite que os seres humanos reajam e façam ajustes, controlando o poder da reação em cadeia para que ela não prossiga muito rápido.
Usinas nucleares operam em 30 países hoje. (Foto AP / John Bazemore) Os acontecimentos de 2 de dezembro de 1942 marcaram um enorme marco. Descobrir como criar e controlar a reação nuclear em cadeia foi a base dos 448 reatores nucleares que produzem energia em todo o mundo atualmente. Atualmente, 30 países incluem reatores nucleares em seu portfólio de energia. Dentro desses países, a energia nuclear contribui em média 24% de sua energia elétrica total, chegando a 72% na França.
O sucesso do CP-1 também foi essencial para a continuação do Projeto Manhattan e a criação das duas bombas atômicas usadas durante a Segunda Guerra Mundial.
Perguntas restantes dos físicos
A busca por entender a emissão atrasada de neutrons e a fissão nuclear continua nos laboratórios modernos de física nuclear. A corrida de hoje não é para construir bombas atômicas ou até mesmo reatores nucleares; É para entender as propriedades básicas dos núcleos através de uma estreita colaboração entre experimento e teoria.
Os pesquisadores observaram a fissão experimental apenas para um pequeno número de isótopos - as várias versões de um elemento com base em quantos nêutrons cada um possui - e os detalhes desse processo complexo ainda não são bem compreendidos. Modelos teóricos de ponta tentam explicar as propriedades de fissão observadas, como quanta energia é liberada, o número de nêutrons emitidos e as massas dos fragmentos de fissão.
A emissão atrasada de neutrons acontece apenas para núcleos que não ocorrem naturalmente, e esses núcleos vivem apenas por um curto período de tempo. Embora os experimentos tenham revelado alguns dos núcleos que emitem nêutrons atrasados, ainda não podemos prever com confiabilidade quais isótopos devem ter essa propriedade. Também não sabemos as probabilidades exatas de emissão retardada de neutrons ou a quantidade de energia liberada - propriedades que são muito importantes para entender os detalhes da produção de energia em reatores nucleares.
Além disso, os pesquisadores estão tentando prever novos núcleos onde a fissão nuclear pode ser possível. Eles estão construindo novos experimentos e novas e poderosas instalações que fornecerão acesso a núcleos nunca antes estudados, na tentativa de medir todas essas propriedades diretamente. Juntos, os novos estudos experimentais e teóricos nos darão uma compreensão muito melhor da fissão nuclear, que pode ajudar a melhorar o desempenho e a segurança dos reatores nucleares.
A interpretação artística de duas estrelas de nêutrons que se fundem, outra situação em que ocorre a fissão. (Centro de Vôo Espacial Goddard da NASA / CI Lab, CC BY) Tanto a fissão quanto a emissão atrasada de nêutrons são processos que também acontecem dentro das estrelas. A criação de elementos pesados, como prata e ouro, em particular, pode depender da fissão e das propriedades retardadas de emissão de nêutrons de núcleos exóticos. A fissão quebra os elementos mais pesados e os substitui por outros mais leves (fragmentos de fissão), mudando completamente a composição dos elementos de uma estrela. Emissão de nêutrons atrasada adiciona mais nêutrons ao ambiente estelar, que pode então induzir novas reações nucleares. Por exemplo, as propriedades nucleares desempenharam um papel vital no evento de fusão de estrelas de nêutrons que foi recentemente descoberto por observatórios de ondas gravitacionais e eletromagnéticos em todo o mundo.
A ciência percorreu um longo caminho desde a visão de Szilard e a prova de Fermi de uma reação em cadeia nuclear controlada. Ao mesmo tempo, novas questões surgiram, e ainda há muito a aprender sobre as propriedades nucleares básicas que impulsionam a reação em cadeia e seu impacto na produção de energia aqui na Terra e em outras partes do nosso universo.
Este artigo foi originalmente publicado no The Conversation.
Artemis Spyrou, Professora Associada de Astrofísica Nuclear, Michigan State University
Wolfgang Mittig, professor de Física da Michigan State University
