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A reação de fissão nuclear em cadeia é provocada quando um núcleo atômico, após absorver um nêutron (partícula nuclear sem carga elétrica), divide-se em dois ou mais fragmentos, dotados de grande energia. Esse fenômeno, se ocorre descontroladamente, dá origem à explosão atômica; quando realizado no interior de um reator, contudo, pode ser dominado para fornecer energia em grande quantidade, suficiente para acionar navios, alimentar imensos complexos industriais ou fornecer energia elétrica a uma cidade.
Existem muitos elementos que podem participar de reações desse tipo, mas comumente são empregados o isótopo 235 do urânio, o plutônio e o tório. Os núcleos dos átomos de urânio de ocorrência natural apresentam-se em dois tipos ou isótopos: O isótopo 238, encontrado em 99,3% dos minérios de urânio e o isótopo 235, que ocorre em apenas 0,7% dos casos. Este último é o combustível mais usual dos reatores.
Quando um nêutron é capturado pelo urânio 235, o núcleo composto resultante, de urânio 236, pode às vezes permanecer intacto, mas na maioria dos casos sofre fissão, cindindo-se em dois outros núcleos de massas aproximadamente iguais e emitindo nêutrons rápidos (com energia cinética relativamente grande).
De modo geral, o nêutron tem uma probabilidade muito maior de interagir com um núcleo quando sua velocidade é mais baixa. Por essa razão, os reatores empregam um elemento chamado moderador, para atenuar a rapidez dos nêutrons emitidos pelo combustível. Tal atenuação ocorre porque os nêutrons perdem sua energia de movimento, cedendo-a aos núcleos moderadores, à medida que se chocam com eles e ricocheteiam.
A transferência de energia cinética é tanto mais efetiva quanto mais leves forem os núcleos moderadores. O melhor moderador é a água "pesada" (contendo átomos de deutério, um isótopo de hidrogênio, em vez de hidrogênio natural), seguida pela grafite pura (cuja massa atômica é aproximadamente igual a doze vezes a do nêutron). A água comum também pode ser usada como moderador, mas nesse caso, é necessário que o urânio utilizado contenha no mínimo 1% de isótopos 235.
Uma reação de fissão nuclear em cadeia prossegue continuamente, se, em média, um dos dois ou três nêutrons emitidos em cada fissão "dispara" uma fissão seguinte. Assim, resulta um ou dois nêutrons excedentes por fissão, alguns dos quais são deliberadamente absorvidos em barras de controle, inseridas parcialmente no moderador.
A captura de um nêutron pelo urânio 238 produz o urânio 239, elemento que não se fragmenta, mas sofre transformações radioativas espontâneas. Isto consiste na transformação de dois nêutrons em dois prótons e na emissão de duas partículas (beta elétrons). Com o aumento de dois prótons forma-se um novo elemento, o plutônio 239. O qual tem a mesma propriedade do urânio 235: sofre fissão ao absorver nêutrons lentos e pode, portanto, ser usado em reatores nucleares.
Reator Nuclear
O núcleo do reator, que é sua parte mais importante, geralmente tem forma cilíndrica. Ele contém um moderador, no qual estão imersas as barras de urânio, de alguns centímetros de diâmetro e cerca de 2m de comprimento. As barras de controle servem para controlar a potência do reator. Quando elas são inseridas entre as barras de urânio, grande quantidade de nêutrons é absorvida, o que interrompe as reações em cadeia. A água do núcleo do reator circula sob pressão, fornecida por uma bomba. A temperatura dessa água tende continuamente a aumentar, devido à energia liberada na fissão. O calor é transferido a outro circuito, no qual é produzido vapor de água a alta temperatura. O vapor aciona uma turbina ligada a um gerador, o qual produz energia elétrica.
Existem muitos tipos de reatores a fissão para a produção de energia elétrica. Os mais utilizados no Ocidente são os que empregam água comum, seja para o retardamento dos nêutrons, seja para o resfriamento do núcleo do reator.
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