Evolução historica do estudo das reações nucleares

Evolução historica do estudo das reações nucleares

A Evolução Histórica do Estudo das Reações Nucleares

No ano de 1896, teve início a história nuclear, com o descobrimento da radioatividade pelo físico francês Henri Becquerel, que identificou o urânio. Algum tempo mais tarde o casal Marie e Pierre Curie, identificaram outros dois elementos radioativos, o polônio e o rádio. Em 1911, o físico neozelandês Ernest Rutherford formulou a teoria da estrutura atômica. Através desta teoria, pode ser evidenciada a dificuldade existente de obter uma reação entre núcleos, devido à força de repulsão elétrica. Entretanto, o próprio Rutherford, em 1919, realizou uma experiência de desintegração utilizando a emissão de partículas alfa de alta energia, e desta forma conseguiu pela primeira vez obter a reação de fissão nuclear.

Nas reações similares as de Rutherford, foi observada a existência de outra partícula, que só veio a ser descoberta por J.Chadwick em 1932, o nêutron. Com a descoberta do nêutron, o modelo básico da estrutura atômica estava completo. Após sua descoberta os nêutrons foram muito estudados, e, pode-se observar que o nêutron tem grande facilidade de penetrar nos núcleos e desestabilizá-los. Porém, os nêutrons rápidos não tinham a mesma eficiência, o que levou o físico italiano, Enrico Fermi, a desenvolver em 1934 um método eficaz de frear os nêutrons rápidos, fazendo-os atravessar uma substância que continha elementos leves, como a água e a parafina.

Desde este período até o ano de 1938, várias reações nucleares foram observadas. Neste mesmo ano o pesquisadores alemães Otto Hahn eFritz Strassman, conseguiram calcular a energia desprendida na reação de fissão. Nesta mesma época, no ano de 1939, outros dois pesquisadores alemães, Lise Mietner e Otto R. Frisch, revelaram que a fissão nuclear era uma fonte de energia altamente concentrada, e verificaram que havia a possibilidade de desprender grandes quantidades de energia. Esta descoberta foi comunicada ao pesquisador Niels Bohr, que a mostrou nos Estados Unidos para Albert Einstein e outros pesquisadores. No mesmo mês, Niels Bohr encontrou-se com Enrico Fermi, que sugeriu que os nêutrons deveriam ser liberados nesta reação. E se realmente isso acontecesse e mais de um nêutron fosse liberado estes poderiam ser utilizados para provocar novas reações, e desta forma obter uma reação em cadeia.

Devido a este acontecimento, e das experiências realizadas aliadas às novas teorias da mecânica e eletrodinâmica quântica, e, também, da teoria da relatividade, foi criado um novo ramo de conhecimento da natureza chamado de física nuclear, que teve início com a descoberta do nêutron em 1932.

A física nuclear, aliada às novas tecnologias de metalurgia e engenharias, possibilitaram o desenvolvimento da energia nuclear.

Foi então que, no ano de 1942, teve início a era nuclear. Na tarde do dia 2 de dezembro daquele ano, um grupo de pesquisadores daria início a uma nova etapa do desenvolvimento humano. Na Universidade de Chicago, nos Estados Unidos, a equipe do físico Enrico Fermi, havia realizado a primeira liberação e controle simultâneos de energia do núcleo atômico, obtendo uma reação auto-sustentada. Apesar do experimento ter sido batizado como "Pilha de Fermi", na verdade o CP-1 foi o primeiro reator nuclear a fissão da história, com a liberação de 0,5 W de energia.

A partir deste fato, surgia um novo ramo da engenharia chamado de engenharia nuclear, o qual tinha como finalidade o desenvolvimento de técnicas de reatores nucleares para uso comercial. No início os estudos eram voltados apenas para o desenvolvimento de técnicas e materiais úteis para os reatores a fissão, a engenharia de fissão, acredita-se que em breve exista também a engenharia de fusão.

Infelizmente a energia nuclear foi utilizada para fins militares na construção de bombas de alto poder destrutivo no ano de 1945, durante a Segunda Guerra Mundial. O desenvolvimento da bomba atômica foi realizado em Los Alamos, nos Estados Unidos, sob a direção do pesquisador Robert Oppenheimer, responsável pelo projeto Manhattan.

A evolução da física de plasmas, aliada ao desenvolvimento das teorias e técnicas da física nuclear, abriram caminho para a fusão nuclear. A partir do ano de 1929, quando o físico inglês Robert R. Atkinson e o alemão Fritz Houtermans descobriram qual a fonte de energia do Sol, estava lançado o novo desafio, construir um Sol na Terra. No ano de 1938, quando reações de fusão responsáveis pela energia das estrelas foram descritas, pelo pesquisador Hans Albrecht Bethe, reforçou-se este desafio.

Neste mesmo período surgiu a idéia de construir máquinas capazes de gerar plasmas. A primeira construção para estudo da fusão termonuclear controlada ocorreu em 1934 por W. H. Benett, que sugeriu o fenômeno "pinch" no plasma. O pesquisador L. Tonks no ano de 1939, verificou o efeito pinch no plasma, o qual era o responsável por contrair uma coluna de plasma com alta corrente elétrica, na direção radial, devido à interação da corrente elétrica com o campo magnético por ela criado.

Durante a Segunda Guerra pouco progresso foi realizado, embora os estudos de David Bohm no âmbito do projeto Manhattan tenham lançado as bases para o estudo de questões fundamentais, tais como a difusão anômala em plasmas confinados magnéticamente.

Alguns anos mais tarde os pesquisadores que continuaram seus estudos de confinamento de plasmas, iniciaram uma nova etapa de confinamento magnético de plasmas. No ano de 1950 o russo Andrei Sakarov teve a idéia de construir uma máquina onde o confinamento do plasma fosse mais eficiente, e com isto pudesse permanecer com o plasma "aceso" por mais tempo, talvez até que ocorresse a fusão. O processo de confinamento de extremos fechados, na forma toroidal, possibilitou o desenvolvimento e a construção dos primeiros tokamaks no fim dos anos 50. Desde esta época o mundo vem tentando obter a fusão termonuclear controlada com base em máquinas de confinamento toroidal. Centenas de máquinas foram construídas, entretanto muitas dificuldades foram encontradas, o que impossíbilitou a construção efetiva de um reator.

Durante o período de construção destas máquinas, pode se observar fases distintas de evolução, que podem ser separadas em três.

Na primeira fase, havia a necessidade de se testar todos os conceitos, e surgiram diversos tipos de máquinas, como os Teta-Pinchs, Z-Pinchs, Stellarators, Tokamaks, Espelhos magnéticos, Cúspides magnéticas, Esferomaks, entre outros, todos envolvendo o uso de máquinas relativamente pequenas. Foi um tempo onde havia a esperança de obter a produção de energia facilmente. Entretanto, constatou-se que a física de plasmas era mais complicado de entender e o estado da matéria, plasma, muito mais difícil de se manipular. Com o esforço dos pesquisadores, alguns experimentos se destacaram. E, então, no ano de 1968, foram divulgados resultados promissores com uma máquina russa, o Tokamak T-3, desenvolvido pela equipe do pesquisador russo Lev Artsimovich. Este fato fez com que se iniciasse a segunda fase de pesquisas.

Na segunda fase de pesquisas o experimento do tipo Tokamak foi adotado como a principal máquina para o estudo da fusão. A partir deste fato surgiu a primeira geração de tokamaks no mundo, dentre estes, o T-4, T-6, ST, ORMAK, Alcator A, Alcator C, TFR, DITE, FT, JFT-2, JIPP T-II, entre outros.

O entendimento da fisica dos tokamaks proporcionou o início da segunda geração de tokamaks, que foram: o T-10, PLT, PDX, ISX-B, Doublet-III, ASDEX, entre outros.

Durante a década de 1970, a comunidade científica internacional constatou que o aumento gradativo do tamanho dos experimentos e da intensidade de campos magnéticos seria indispensável para obter o conhecimento necessário para se chegar ao reator. Entretanto, os custos cresciam muito rapidamente e inviabilizavam a construção simultânea de um elevado número de projetos de grande porte. Este foi o principal motivo que levou à construção das grandes máquinas atuais, algumas destas com financiamento de vários países. Máquinas como: o TFTR, JET, DIII-D, JT-60U, T-15, TORE SUPRA e o ASDEX-U, as quais tiveram início de construção nos anos 80. O aparecimento desta geração de tokamaks marcou a mudança para a terceira fase de pesquisas em fusão, a qual se estende até os dias atuais.

No entanto, os esforços da comunidade de fusão para alcançar a reação auto-sustentada parece apontar para uma nova fase de pesquisas. Foi com este intuito que teve início o projeto ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), que deve ser construído com o apoio financeiro do Estados Unidos, Comunidade Européia, Japão e Rússia. Estados Unidos, Comunidade Européia, Japão e Rússia.

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