Urânio-235

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Uma pastilha de urânio altamente enriquecido com alta porcentagem de U-235.

Urânio-235 é um isótopo de urânio que é responsável por cerca de 0.72% do urânio natural. Diferente do isotopo predominante, o urânio-238, ele é físsil, ou seja, ele pode sustentar uma reação em cadeia de fissão nuclear. É o único isotopo natural e físsil que é encontrado na natureza em quantidades relevantes alem de ser um nuclídeo primordial.

O urânio-235 tem uma meia-vida de 703.8 milhões de anos. Ele foi descoberto em 1935 por Arthur Jeffrey Dempster. Sua seção transversal nuclear para lentos nêutrons térmicos é de cerca de 504.81 barns. Para nêutrons rápidos sua seção transversal é da ordem de 1 barn.[1]Contudo nem todas as absorvições de nêutrons resultam em fissão; uma minoria resulta em captura neutrônica formando o urânio-236.

Fissão

Fissão nuclear de um átomo de Urânio-235.

A fissao de um atomo de Urânio-235 gera 202.5MeV = 3.24 × 10−11 J, ou seja 19.54 TJ/ mol, ou 83.14 TJ/kg.[2] Quando radionuclídeos de 235
92
U
são bombardeados por nêutrons, uma das varias reações de fissão que podem ocorrer é mostrada abaixo(mostrada na imagem a esquerda):

10n + 235
92
U
141
56
Ba
+ 92
36
Kr
+ 3 10n

Reatores de água pesada e alguns reatores de grafite moderado podem usar urânio empobrecido, mas reatores de água leve devem usar o urânio levemente enriquecido por causa da absorvição de nêutrons água leve. O enriquecimento do urânio remove porcões de U-238 enquanto que aumenta a porcentagem de U-235 na composição. O urânio altamente enriquecido, que contem uma grande proporção de U-235 é muito utilizado em armas nucleares.

Se um nêutron proveniente da fissão de um núcleo de urânio-235 acerta outro núcleo de urânio-235 e o fissiona, então a cadeia de reação vai continuar. Se a reação se sustentar, ela pode criar uma massa crítica, e a massa de U-235 requirida para produzir massa critica é de alguns quilogramas. A fissão nuclear produz fragmentos de fissão que em geral são altamente radioativos e produz energia posteriormente devido ao decaimento radioativo. Alguns deles produzem nêutrons chamados de nêutrons atrasados, que contribuem para a reação de fissão em reatores, enquanto que se produzidos por detonações nucleares apenas vão liberar radiação ao meio ambiente. Em reatores nucleares, a reação é atrasada pela adição de barras de controle que são feitas de elementos químicos como o boro, háfnio e cádmio pois podem absorver uma grande quantidade de nêutrons. Em armas nucleares, a reação é descontrolada, a grande e rápida liberação de energia da fissão nuclear cria uma detonação nuclear.

Armas Nucleares

A arma Little Boy, uma arma nuclear do tipo balístico, lançada sobre Hiroshima em 6 de agosto de 1945 foi feita de urânio altamente enriquecido. A massa critica nominal para uma esfera de U-235 nua é de 56 kg,[3] ou seja uma esfera de 17.32 cm (6.8") de diâmetro. O material necessário deve ter 85% ou mais de U235. Mas a massa critica pode ser diminuída em ate um quarto com o uso de iniciadores de nêutrons, reforço de trítio, geometria correta e refletores de nêutrons tendo grande impacto econômico na fabricação e eficiência dessas armas. Atualmente é preferível o uso de um isotopo do plutônio, o plutônio-239 em armas nucleares.[4][5] Contudo o urânio enriquecido ainda é extensivamente utilizado no segundo estagio de bombas de hidrogênio.

Fonte Energia media liberada [MeV][2]
Energia liberada instantaneamente
Energia cinética dos fragmentos 169.1
Energia cinética de nêutrons rápidos     4.8
Energia portada por raios gama     7.0
Energia do decaimento de produtos da fissão|style="background:#8989f9"|
Energia de partículas β     6.5
Energia de raios γ atrasados     6.3
Energia produzida quando nêutrons são capturados sem ocorrer fissão     8.8
Energia convertida em calor em um reator 202.5
Energia de anti-neutrinos     8.8
Sum 211.3

Referências

  1. Some Physics of Uranium
  2. a b Nuclear fission and fusion, and neutron interactions, National Physical Laboratory.
  3. FAS Nuclear Weapons Design FAQ, accessed 2010-9-2. There are numerous other references on the net, and with modern computers, this is fairly easy to calculate, so secrecy cannot aid security.
  4. FAS contributors (ed.). Nuclear Weapon Design. [S.l.]: Federation of American Scientists 
  5. Miner. [S.l.: s.n.] 1968. 541 páginas 
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