Radiação/ Ambiente - O que é energia nuclear?
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Radiação/ Ambiente

O que é energia nuclear?

20/06/2003

 

Heldio Villar - metrol1@nlink.com.br, Mestre em Tecnologia Nuclear, Doutor em Engenharia

O que é energia?

A energia nuclear consta do nosso vocabulário há cerca de cinqüenta anos. É curioso como diversos termos e expressões, introduzidos ao longo desse meio século, foram prontamente absorvidos e utilizados de forma mais ou menos correta pela população em geral. Sabemos, por exemplo, o que é supersônico, ou telefone celular, ou satélite artificial, ou Internet, ou clonagem. Mas "energia nuclear", embora não seja uma coisa totalmente desconhecida, é empregada de forma tão aleatória, que seu significado chega a se perder completamente. Não é incomum que o público inclua como itens relacionados com a energia nuclear coisas como bomba atômica, raios-X, césio, forno de microondas e bateria de telefone celular.

É difícil tentar explicar tamanho ecletismo. Fica no ar, entretanto, a idéia de que o público não sabe exatamente o que é energia nuclear. Como conseqüência, o que o público não sabe exatamente o que é deve ser energia nuclear.

O que é energia nuclear? Vamos e venhamos, o público sabe ao menos o que é energia? Eis uma palavrinha que, juntamente com seus derivados, é também bastante abusada. Os que simpatizam com o esoterismo adoram o termo. Certas pessoas, segundo eles, trazem dentro de si uma "enorme carga de energia negativa", o que quer que isso seja. Energia negativa é ruim? Talvez; porém, do ponto de vista estritamente gravitacional, todos nós possuímos energia negativa relativamente à Terra. Ainda bem, pois se assim não fosse estaríamos vagando pelo espaço, convenientemente mortos, pois é essa energia negativa que nos mantém presos ao nosso planeta. Quando a companhia de eletricidade deixa de fornecer entre aqueles dois furinhos na parede uma diferença de potencial de 220 (ou 110) volts, nós dizemos que "faltou energia". E quem não teve, algum dia, um chefe enérgico?

Bem, a física nos diz, sem mais delongas, que energia "é trabalho, ou tudo o que pode ser convertido em trabalho". Melhorou? Nem tanto, pois é preciso agora definir o que é "trabalho". Novo problema. Meus alunos sempre imploram para que, em lugar da prova, eu "passe um trabalho". Quantos por aí estão em busca de trabalho! E se trabalho é uma coisa tão boa, por que lamentamos a sorte de alguém cujo filho lhe dá trabalho? Ora pois, trabalho, segundo a física, é realizado todas as vezes que um corpo sujeito a uma força é deslocado, ou seja movimentado.

Talvez tenhamos chegado ao final da primeira parte do problema. Energia é, portanto, a própria manifestação do movimento dos corpos (todos os corpos em movimento possuem energia cinética) ou, ao menos, um conjunto de situações que possa, ou seja, tenha o potencial, de fazer com que um corpo venha a ser movimentado. Se colocamos uma caixa em cima de um armário, essa caixa tem agora energia potencial relativa ao chão, porque basta um empurrãozinho e ela cairá, ou seja, será movimentada em direção ao chão.

A energia armazenada nos átomos

E onde é que entra a energia nuclear nessa história? Para isso, temos de nos lembrar do que já aprendemos em ciências. Os corpos são compostos de átomos, que por sua vez são compostos de um núcleo, onde se concentra quase toda a massa do átomo e toda a sua carga elétrica positiva, em torno do qual orbitam eléctrons (que são partículas muito leves, mas que concentram toda a carga negativa do átomo).

O fato de que os eléctrons orbitam o núcleo já nos diz que os eléctrons têm energia cinética, que é sempre positiva. A órbita que os eléctrons executam em torno do núcleo é o resultado da atração eletrostática, já que o núcleo é positivo. Essa força de atração é matematicamente negativa, e existe associada a ela uma energia potencial que, como a força, é também negativa. Quando a energia cinética e a potencial de um eléctron em órbita são somadas, obtendo-se assim a energia total do eléctron, o resultado é ainda negativo. Pode parecer estranho, mas não é. O sinal negativo indica que o eléctron ainda está "ligado" ao núcleo (tanto, que continua em órbita). Essa energia, por esse motivo, recebe o nome de energia de ligação. Como a energia eletrostática atrativa diminui com a distância entre o eléctron e o núcleo, a energia total dos eléctrons das óritas externas é maior (ou seja, menos negativa) que a dos eléctrons das órbitas internas.

A existência da energia de ligação explica alguns fenômenos corriqueiros. Todos conhecem a luz amarelada das lâmpadas de vapor de sódio. Como funcionam essas lâmpadas? De maneira bem simples. Uma descarga elétrica contínua aquece sódio metálico colocado dentro da lâmpada, criando uma atmosfera rica em vapor de sódio. A energia da descarga elétrica é então absorvida pelos átomos de sódio, o que faz com que os eléctrons do sódio passem a ter uma energia menos negativa. Com isso, eles são transportados para uma órbita mais externa (processo de excitação), ou mesmo arrancados dos átomos (processo de ionização). Essa situação, no entanto, não pode durar muito tempo, pois o princípio da entropia nos diz que um sistema sempre tenderá para o estado de menor energia possível. Assim, em fração de segundo, os átomos que perderam eléctrons se recombinam com eles, e todos os átomos atingidos voltam ao estado inicial, chamado estado fundamental.

De onde, então, vem a luz? Vamos analisar o processo passo a passo:

Os átomos de sódio, já em forma de vapor, estão no estado fundamental

A passagem de uma descarga elétrica faz com que eléctrons dos átomos atingidos recebam energia, mudando-os para uma das possíveis órbitas mais externas ou mesmo extraindo-os

Os átomos, agora excitados ou mesmo ionizados, não podem ficar muito tempo nesses estados

Os átomos ionizados se recombinam com eléctrons; os átomos excitados voltam ao estado fundamental, com eléctrons em órbitas externas ocupando as lacunas deixadas nas órbitas internas, perdendo energia no processo

Essa energia E é emitida sob a forma de radiação, com a freqüência dada por E¸ h, onde h é a constante de Planck

No caso do sódio, a freqüência da emissão corresponde à da luz amarelo- alaranjada, típica do sódio

A etapa 5 acima nos indica um aspecto fundamental da emissão: é a diferença de nível energético entre as órbitas que caracteriza a freqüência da emissão. Assim, dependendo dessa diferença de nível energético, essa radiação emitida pode estar na faixa do infravermelho, da luz visível (que é o caso das lâmpadas), da luz ultravioleta ou dos raios-X. Assim, a emissão de raios-X não parte do núcleo. Como tal, não pode ser classificada como manifestação da energia nuclear.

O que mantém o núcleo coeso? Resposta: E=mc2

Um dos enigmas que intrigam os mais atentos que estudam química pela primeira vez é a estabilidade do núcleo atômico. Pela teoria, um núcleo se compõe de partículas carregadas positivamente, os prótons, juntamente com partículas com carga elétrica zero, os nêutrons. É bem verdade que a carga elétrica de um próton é pequena, embora seja enorme diante das dimensões da partícula. Assim, dentro de um volume tão pequeno como o de um núcleo, que tem um diâmetro estimado de 10-15 m (um milionésimo de um milionésimo de um milímetro), as forças de repulsão entre prótons devem ser absolutamente colossais. É bem verdade que, como os componentes do núcleo têm massa, sempre poderíamos contar com a força gravitacional; entretanto, como essas massas são da ordem de 10-27 kg (ou um bilionésimo de um bilionésimo de um milionésimo de grama), não devemos esperar forças muito significativas de atração. Assim, mesmo com a presença dos nêutrons para amenizar o problema, a pergunta fica de pé: como pode o núcleo permanecer unido por tempo indeterminado?

Bem, algum processo deve atuar na coesão do núcleo. O princípio da conservação da energia sugere que esse processo deve ser interno ao núcleo, ou então o núcleo iria demandar continuamente energia de fora, o que não seria possível. Atua aqui um outro princípio, o que diz que não existe lanche de graça. Todos os componentes do núcleo devem contribuir para manter o núcleo coeso, algo parecido com o pagamento da taxa de manutenção de um clube. Contribuir, porém, com o quê? A única coisa que as partículas do núcleo têm em comum é massa. Logo, a energia necessária para manter o núcleo unido é deduzida das massas dos componentes nucleares, e igual ao valor dessa massa deduzida multiplicada pelo quadrado da velocidade da luz, ou E=mc2.

Para a maioria dos leitores, essa é certamente a primeira ocasião em que a famosa fórmula de Einstein, datada de 1905, sem dúvida uma das equações mais famosas da história, encontra aplicação. Na verdade, poucos anos após ter derivado essa equação, Einstein concluiu que seria virtualmente possível verificá-la experimentalmente. Na década de 30, quando as massas atômicas e dos componentes do núcleo já haviam sido determinadas com grande precisão, o mesmo ocorrendo com a velocidade da luz, os resultados de diversos experimentos mostraram que E=mc2 era correta, ao menos para os processos envolvendo o núcleo atômico. Essa energia, conhecida como energia de ligação nuclear, é a base do que nós chamamos de energia nuclear.

Radioatividade, essa desconhecida

A confusão existente entre radioatividade e raios-X não deixa de ser justificável, mas não deveria existir por pelo menos dois motivos:

Do ponto de vista léxico, raios-X são realmente raios, ou seja, radiação eletromagnética (como a luz, por exemplo, apenas de freqüência bem maior), ao passo que radioatividade é uma propriedade da matéria (o que fica evidenciado pelo sufixo dade)

Do ponto de vista científico, os raios-X são emitidos a partir de transições envolvendo os eléctrons, ao passo que a radioatividade é possivelmente a única propriedade da matéria que depende exclusivamente do núcleo do átomo.

Apesar disso, a descoberta da radioatividade em 1896 foi uma conseqüência da descoberta dos raios-X poucos meses antes, pois sua primeira manifestação reconhecida foi a emissão de radiação penetrante que tinha a propriedade de impressionar chapas fotográficas, da mesma forma que os raios-X. Nos anos que se seguiram, ficou evidenciado que as emissões dos materiais radioativos (na época eram conhecidos apenas quatro: o urânio, o tório, o rádio e o polônio) não eram raios-X, constituindo-se de fato de partículas com carga elétrica (as partículas alfa e beta) e radiação eletromagnética como os raios-X (os raios gama).

Inicialmente, a radioatividade foi considerada como uma propriedade do material em si. Por exemplo, o urânio era radioativo, o cobre era bom condutor de eletricidade, o vidro era transparente, e assim por diante. Foi Marie Curie (descobridora, junto com seu marido, Pierre, e com o químico Gustave Bémont, do polônio e do rádio) quem sugeriu que o processo de emissão de radiação pelas substâncias deveria ocorrer em nível atômico. Isso não deixou de ser surpreendente para a época. Os químicos de há muito reconheciam a existência dos átomos, o que era então negado pelos físicos. E as descobertas relativas à radioatividade tinham sido realizadas por físicos, como Pierre e Marie Curie e Ernest Rutherford; o próprio descobridor da radioatividade, Antoine-Henri Becquerel, era engenheiro civil, mas também professor de física.

No início do século XX, o centro de gravidade dos estudos relativos à radioatividade se deslocou da Europa para a América, mais precisamente para a cidade de Montreal, no Canadá. Aí, na Universidade McGill, foram feitas as mais interessantes descobertas sobre o fenômeno da radioatividade. Ao final do século XIX, o industrial do fumo Sir William MacDonald construiu para a Universidade McGill o mais moderno laboratório de física do mundo. Para lá foi, em 1898, o jovem Ernest Rutherford. Dois anos depois, a chegada do químico Frederick Soddy iria criar um equipe de trabalho extremamente eficiente e criativa.

Entre as descobertas feitas por Rutherford e Soddy, uma foi a de que uma substância radioativa se transformava em outra. Isso explicava porque o polônio e o rádio haviam sido isolados a partir do urânio: a emissão de radiação pelo urânio levava à formação de outros elementos, entre eles o polônio e o rádio. Como, pela já centenária teoria atômica de John Dalton, os elementos se compunham de átomos, os átomos de urânio se transformavam em átomos de rádio, que por sua vez se transformavam em átomos de polônio, e assim até o chumbo. Na verdade, a cadeia de transformações do urânio envolve nove elementos diferentes, terminando no chumbo.

Devemos observar que isso não é tão trivial quanto parece. Durante séculos os alquimistas tentaram, sem sucesso, transformar chumbo ou ferro em ouro. Na natureza, entretanto, esse processo de transformação de um elemento em outro vinha ocorrendo, de forma despercebida, desde tempos imemoriais. Esse aspecto da radioatividade sem dúvida a transforma na mais extraordinária propriedade conhecida da matéria. No entanto, mesmo livros-texto tendem a chamar a atenção exclusivamente para a emissão da radiação.

O núcleo atômico e os alquimistas

Entre 1909 e 1911, experimentos cuidadosos idealizados por Rutherford, nos quais as partículas alfa eram dirigidas a finas folhas de ouro, levaram à conclusão da existência do núcleo atômico. Ficou patenteado que a radioatividade era uma propriedade que ocorria em nível menor que o atômico, ou seja, em nível nuclear. Ficou também claro porque os alquimistas jamais teriam sucesso em seus esforços. Eles queriam transformar chumbo em ouro pelo ataque com ácidos fortes e outras substâncias, que meramente atuam nos eléctrons que circundam o núcleo do átomo de chumbo. Eles poderiam formar sulfato de chumbo, caso o ataque fosse com ácido sulfúrico, ou cloreto de chumbo, se usassem ácido clorídrico. Mas o chumbo continuava lá, apenas combinado com outros elementos. A transformação de chumbo em ouro só poderia ocorrer por meio de processos que atuassem no núcleo do chumbo.

Cerca de uma década mais tarde, Rutherford abriu o caminho para que essas transformações pudessem ocorrer quando nós assim o desejássemos: usando as mesmas partículas alfa, ele conseguiu transformar nitrogênio (que não era radioativo) em oxigênio. O homem, que durante séculos tão bem manipulou com os átomos, fazendo-os produzir calor (por combustão, por exemplo), emitir luz (como nas lâmpadas tipo neon) e juntar-se em miríades de compostos, tinha agora como ir mais longe, mexendo na origem de cada elemento, que é o núcleo atômico.

Hoje, dispomos do equipamento necessário para transformar em ouro praticamente qualquer outro elemento. Esse não é um processo necessariamente barato, mas é perfeitamente possível. O que ocorre é que esse equipamento é capaz de produzir substâncias mais valiosas e, para muitas aplicações, mais úteis do que o ouro. Essa alquimia do século XX conseguiu produzir isótopos radioativos não encontrados na natureza e de grande valor em medicina e pesquisa, logrou preencher duas lacunas na Tabela Periódica - os elementos químicos tecnécio e promécio - que não seriam preenchidas de outra forma, e levou à obtenção de mais de uma dezena de elementos mais pesados que o urânio, o mais pesado encontrado na natureza.

A magnitude da energia armazenada no núcleo

Pelos efeitos conhecidos, à parte os inevitáveis exageros, das emissões das substâncias radioativas, deve-se ter como certo que a energia envolvida nesses processos deve ser realmente fenomenal. E é. De fato, a energia liberada por um único núcleo é ridiculamente pequena, mas quando se sabe que uma simples miligrama de rádio tem quase 3 bilhões de bilhões de átomos, cada um com seu núcleo, a energia total não deixa de ser impressionante.

A unidade de energia com a qual estamos mais familiarizados é o quilowatt-hora. Essa é a energia consumida por um chuveiro elétrico típico em cerca de 20 minutos. Claro está que, sendo os átomos tão pequenos, medir as energias ali armazenadas em quilowatts-hora equivale a tentar medir o peso de um grão de trigo com uma balança de carga. Uma unidade de energia específica para os processos atômicos e nucleares deve ser utilizada, e essa unidade é o eléctron-volt. A relação entre o quilowatt-hora e o eléctron-volt é de 225 seguido de 23 zeros.

É claramente impossível tentar comparar as energias em nível atômico e nuclear com a consumida por um chuveiro elétrico. Mas todos nós temos a noção de que luz é uma forma de energia. A emissão de luz, na realidade, se faz por meio de pacotes de energia, que são os fótons de luz. No caso da luz visível, esses fótons têm energias na faixa de 1 eléctron-volt. A combustão do carbono, que é um processo de produção de energia bem conhecido, consegue fornecer 4 eléctron-volts por átomo de carbono. Raios-X de um aparelho odontológico têm energia máxima de 80 mil eléctron-volts.

Agora, os processos nucleares. Os raios gama que partem de uma fonte de cobalto-60, usada em radioterapia, têm energia de até 1,33 milhão de eléctron-volts cada. As partículas alfa emitidas pelo rádio têm, cada uma, energia média de 4,5 milhões de eléctron-volts. A fissão do urânio, processo no qual o núcleo do urânio se parte em dois, libera 200 milhões de eléctron-volts por átomo. Incomparavelmente, a energia armazenada no núcleo atômico é muito superior à que se pode extrair dos processos envolvendo apenas os eléctrons.

Por que a tendência a chamar a energia nuclear de energia atômica?

O conceito de átomo, apesar de toda a "modernidade" do termo, vem da filosofia grega clássica. Sua reintrodução, em termos mais científicos, se deu com a publicação da teoria atômica de Dalton, em1803. Com a compreensão, no início do século XX, de que as fantásticas energias liberadas pelas substâncias radioativas provinham dos átomos de que elas eram compostas levou à adoção da expressão energia atômica para denotar a energia contida no átomo.

Segundo o Prof. Abraham Pais em seu livro Inward Bound (Oxford University Press, 1986), energia atômica foi usada pela primeira vez em um artigo de Rutherford e Soddy de 1903, no qual eles escrevem que "...não há razão para se supor que apenas os rádio-elementos [substâncias radioativas] possuam esse enorme estoque de energia. Parece provável que essa energia atômica em tão elevada ordem de grandeza seja comum [a todos os átomos]..."

Mas, de acordo ainda com o Prof. Pais, a expressão ficou "firmemente ancorada na nossa linguagem quotidiana" após o relatório intitulado "Energia atômica para fins militares", dado a conhecer pelo Presidente Harry Truman em 11 de agosto de 1945. Esse detalhado relatório, escrito por Henry DeWolf Smyth (vindo a ser mais tarde conhecido como "Relatório Smyth"), mostra o desenvolvimento da bomba atômica. A bomba, no entanto, se baseia no processo da fissão, um processo nuclear. Ela deveria ter sido chamada de bomba nuclear, operando a base de energia nuclear. Por que energia atômica?

A resposta foi dada três décadas mais tarde ao Prof. Pais pelo autor do relatório. No trabalho original, ele havia de fato escrito energia nuclear. O relatório foi analisado pelo chefe do projeto da bomba, Major-General Leslie Groves, e seus assessores. Em discussões posteriores, chegou-se à conclusão de que era conveniente que se mantivesse o termo atômica, mais conhecido do público e com conotações mais seguras com a química e a física, do que nuclear, com o qual o público não estava familiarizado ou que, caso estivesse, traria à mente imagens mais ligadas à biologia.

A confusão na mente do público está assim explicada. Mas já é hora de se começar a colocar ordem na casa.

Ciencia Nuclear versus Atividade Econômica

Cláudio Machado - clamac@elogica.com.br, Economista do IPEA

Tema realmente muito controvertido, a ciência nuclear desperta o fascínio em alguns segmentos da sociedade e o pavor em outros. O fascínio é despertado, geralmente, em segmentos mais esclarecidos, onde incluem-se aqueles que de alguma forma já mantiveram contatos com esta ciência e se mantêm atualizados mediante a utilização de publicações técnicas e dos meios de comunicação modernos e comprometidos com a formação de opinião. Já o pavor assola entre aquelas pessoas que pouco conhecimento têm sobre a matéria e recebem informações não muito comprometidas com a verdade e que conferem sensacionalismo na divulgação de fatos desfavoráveis ocorridos na área nuclear.

Segundo especialistas da área, os acidentes nucleares têm ocorrido com uma freqüência extremamente esporádica e sem grande número de vítimas, se comparados a outros acidentes como naufrágios, acidentes automobilísticos e aéreos. E no Brasil então, registra-se apenas o acidente de Goiânia (GO), envolvendo uma cápsula de césio 137 que era utilizada no combate ao câncer, e que foi irresponsavelmente abandonada em uma clínica radiológica desativada e violada por catadores de papel.

O fato é que a utilização da ciência nuclear para fins pacíficos é uma realidade que tem resultado em grandes benefícios para a humanidade, seja na geração de energia, na produção de radioisótopos e na irradiação de alimentos, produtos cirúrgicos e gemas, seja na utilização pelos diversos segmentos industriais em atividade no mundo.

Particularmente no que se refere à contribuição da ciência nuclear para a atividade econômica, o elenco de benefícios vem aumentando de acordo com a evolução da ciência. Devem ser atribuídos à ciência nuclear os avanços na área da radiografia em soldas industriais ou gamagrafia, amplamente aplicada na construção de tanques e caldeiras, oleodutos e gasodutos, adutoras e construções metálicas, como torres, pontes, embarcações de grande porte etc.

No que tange à irradiação, o setor de alimentos em grãos ganha imunidade a bactérias e microorganismos; no caso de frutas e carnes, além da esterilização, o setor ganha tempo para exposição em prateleiras e frigoríficos e conseqüentemente aumenta as condições para comercialização. Cabe aqui destacar o fato de uma conceituada rede americana de lanchonetes com filiais instaladas em todo o mundo, e que tem como carro chefe os hambúrgueres, ter sido obrigada por órgãos de saúde dos EUA a adquirir um irradiador de alimentos, mas optou por adquirir uma fábrica de irradiadores para equipar toda a sua rede, em vista das excepcionais vantagens decorrentes da utilização da irradiação.

Ainda sobre irradiação, importa ser dito que muitas pedras preciosas de baixa qualidade têm os seus valores de comercialização significativamente elevados, após sofrerem processo de irradiação, que resulta na melhoria de pureza e cor. Por fim, artigos hospitalares como luvas, seringas, agulhas, gaze e instrumentos cirúrgicos são esterilizados com a máxima margem de segurança mediante processo de irradiação.

No controle de qualidade e apresentação de produtos industriais está uma das mais marcantes presenças da ciência nuclear pois, utilizando fontes radioativas, as fábricas de bebidas em geral controlam o envasilhamento de seus líquidos nos recipientes para comercialização; as fábricas de cigarros e de papel cuidam da uniformidade das dimensões de seus produtos; as siderúrgicas controlam os padrões de suas chapas, vergalhões, bobinas e outros produtos etc. Enfim, seria muito exaustivo enumerar todos os setores que se beneficiam desta tecnologia.

Por outro lado, ressaltando que os serviços voltados para o tratamento da saúde têm preponderância social, vale lembrar que o Recife é considerado o II Pólo Médico do País e apresenta um dos maiores índices de crescimento com relação a outros pólos. E, nesta atividade, a ciência nuclear propicia a utilização de radiações ionizantes, radiodiagnose e radioterapia no âmbito da medicina nuclear, contribuindo, também, de forma bastante significativa para a geração de empregos e para o crescimento de alguns segmentos industriais, voltados para a produção de equipamentos hospitalares e de diagnósticos.

Outras áreas relacionadas com a atividade econômica, como estudos de aqüíferos para desenvolvimento da agricultura, proteção ao meio ambiente, e caracterização química de insumos industriais, também são apoiadas pela ciência nuclear.

Um bom arrazoado foi aqui colocado sobre os benefícios que a ciência nuclear irradia para a economia, mas, para nós pernambucanos, o melhor é que no campus da UFPE, está sendo construído o Centro Regional de Ciências Nuclear - com o decidido apoio da Vice-Presidência da República, do Ministério Extraordinário de Projetos Especiais e da CNEN, UFPE e FUNDACENTRO -, e que dará sua contribuição para que Pernambuco volte a ocupar lugar de destaque no cenário econômico nacional.

Fonte: CRCN - Centro Regional de Ciências Nucleares

 


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