Sobre férias de Natal, em 1938, físicos, Lise Meitner e Otto Frisch recebeu intrigante notícias científicas em uma carta privada a partir nuclear, químico Otto Hahn. Ao bombardear urânio com nêutrons, Hahn fez algumas observações surpreendentes que foram contra tudo o que se sabia na época sobre os núcleos densos 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 em metade ou fissão, como eles o chamavam produzindo dois novos núcleos, chamados fragmentos de fissão. Mais importante ainda, este processo de fissão libera enormes quantidades de energia. Esta descoberta no início da Segunda Guerra Mundial foi o início de uma raça científica e militar para entender e usar esta nova fonte atômica de poder.
O lançamento desses resultados para a comunidade acadêmica imediatamente inspirou muitos cientistas para investigar a fissão nuclear, continuar o processo. O físico Leo Szilard fez uma importante realização: se a fissão emite nêutrons, e nêutrons podem induzir fissão, então nêutrons da fissão de um núcleo pode causar a fissão de outro núcleo. Tudo poderia cair num processo auto-sustentado de “cadeia”.
assim começou a busca para provar experimentalmente que uma reação em cadeia nuclear era possível-e 75 anos atrás, pesquisadores da Universidade de Chicago conseguiram, abrindo a porta para o que se tornaria a era nuclear.como parte 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 reacção em cadeia controlada e sustentada, cada fissão deve induzir apenas uma fissão adicional. Mais, e haveria uma explosão. Menos e a reacção desapareceria.
Em estudos anteriores, Fermi descobriu que o urânio núcleos iria absorver nêutrons mais facilmente se os nêutrons foram movendo-se de forma relativamente lenta. Mas os neutrões emitidos pela fissão do urânio são rápidos. Para a experiência de Chicago, os físicos usaram grafite para retardar os neutrões emitidos, através de múltiplos processos de dispersão. A ideia era aumentar as hipóteses dos neutrões de serem absorvidos por outro núcleo de urânio.para garantir que conseguiam controlar a reacção em cadeia, a equipa montou o que chamavam de “barras de controlo”.”Estas eram simplesmente folhas do elemento cádmio, um excelente absorvedor de nêutrons. Os físicos cruzaram barras de controlo através da pilha de urânio-grafite. Em cada etapa do processo, Fermi calculou a emissão de nêutrons esperada, e lentamente removeu uma haste de controle para confirmar suas expectativas. Como mecanismo de segurança, as varetas de controle de cádmio poderiam ser rapidamente inseridas se algo começasse a correr mal, para desligar a reação em cadeia.
They called this 20x6x25-foot setup Chicago Pile Number One, or CP-1 for short – and it was here they obtained world’s the first controlled nuclear chain reaction on December 2, 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 neutrão induziria a fissão num núcleo de urânio, emitindo um conjunto de novos neutrões. Estes neutrões secundários atingiram núcleos de carbono na grafite e abrandaram. Então eles se deparavam com outros núcleos de urânio e induziam uma segunda rodada de reações de fissão, emitiam ainda mais nêutrons, e assim por diante. As varetas de controle de cádmio garantiram que o processo não continuaria indefinidamente, porque Fermi e sua equipe poderiam escolher exatamente como e onde inseri-las para controlar a reação em cadeia.
controlar a reacção em cadeia foi extremamente importante: Se o equilíbrio entre nêutrons produzidos e absorvidos não fosse 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.por vezes, alguns segundos após a fissão ocorrer em uma reação em cadeia nuclear, neutrões adicionais são liberados. 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 destes chamados “neutrões retardados” no controle da reação em cadeia.se não fossem tomados em consideração, estes neutrões adicionais induziriam mais reacções de fissão do que o previsto. Como resultado, a reação em cadeia nuclear em sua experiência em Chicago poderia ter piorado fora de controle, com resultados potencialmente devastadores. Mais importante, entretanto, este atraso de tempo entre a fissão e a liberação de mais nêutrons permite algum tempo para que os seres humanos reajam e façam ajustes, controlando o poder da reação em cadeia para que não avance muito rápido.
os eventos de 2 de dezembro de 1942 marcaram um marco enorme. Descobrir como criar e controlar a reação em cadeia nuclear foi a base para os 448 reatores nucleares que produzem energia em todo o mundo hoje. Actualmente, 30 países incluem reactores nucleares no seu portfólio de energia. Dentro desses países, a energia nuclear contribui em média 24 por cento de sua energia elétrica total, variando até 72 por cento 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.a busca para entender a emissão retardada de nêutrons e a fissão nuclear continua nos modernos laboratórios de Física nuclear. A corrida de hoje não é para a construção de bombas atômicas ou mesmo reatores nucleares; é para a compreensão das propriedades básicas dos núcleos através da estreita colaboração entre experimento e teoria.
os Pesquisadores observaram fissão experimentalmente apenas para um pequeno número de isótopos – as várias versões de um elemento com base no número de nêutrons cada um tem – e os detalhes deste processo complexo, ainda não são bem compreendidos. Modelos teóricos de ponta tentam explicar as propriedades de fissão observadas, como a quantidade de energia libertada, o número de neutrões emitidos e as massas dos fragmentos de fissão.
emissão retardada de nêutrons ocorre apenas para núcleos que não estão ocorrendo naturalmente, e estes núcleos vivem por apenas um curto período de tempo. Embora os experimentos tenham revelado alguns dos núcleos que emitem neutrões retardados, ainda não somos capazes de prever com segurança quais isótopos devem ter esta propriedade. Nós também não sabemos probabilidades exatas para emissão de nêutrons retardados ou a quantidade de energia liberada – propriedades que são muito importantes para a compreensão dos 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 poderosas novas instalações que irão fornecer acesso a núcleos que nunca foram estudados, numa tentativa de medir todas essas propriedades diretamente. Em conjunto, os novos estudos experimentais e teóricos dar-nos-ão uma melhor compreensão da fissão nuclear, que pode ajudar a melhorar o desempenho e a segurança dos reactores nucleares.
ambas fissão e emissão retardada de neutrões são processos que também acontecem dentro das estrelas. A criação de elementos pesados, como prata e Ouro, em particular, pode depender da fissão e propriedades de emissão de nêutrons retardados de núcleos exóticos. A fissão quebra os elementos mais pesados e substitui-os por elementos mais leves (fragmentos de fissão), mudando completamente a composição de elementos de uma estrela. Emissão retardada de nêutrons adiciona mais nêutrons ao ambiente estelar, que pode, então, induzir novas reações nucleares. Por exemplo, propriedades nucleares desempenharam um papel vital no evento de fusão de nêutrons e estrelas que foi recentemente descoberto por ondas gravitacionais e observatórios eletromagnéticos em todo o mundo.
The science has came a long way since Szilard’s vision and Fermi’s proof of a controlled nuclear chain reaction. 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 outros lugares do nosso universo.
Este artigo foi originalmente publicado na conversa.
Artemis Spyrou, Associate Professor of Nuclear Astrophysics, Michigan State University
Wolfgang Mittig, Professor de Física, Michigan State University