Trabalho Física Nuclear - UNIP

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TRABALHO SOBRE FÍSICA NUCLEAR
APS
ENGENHARIA ELÉTRICA – UNIP
Introdução
A Física Nuclear estuda a matéria nuclear, as propriedades e o comportamento dos núcleos atômicos e os mecanismos básicos das reações nucleares com nêutrons e outros núcleos, dos quais suas propriedades podem ser classificadas como sendo estáticas (cargas, tamanho, forma, massa, energia de ligação, spin, paridade, momentos eletromagnéticos e etc.) e dinâmicas (radioatividade, estados excitados, reações nucleares e etc.).
Esta área da ciência iniciou a partir da evolução do conceito científico a cerca da estrutura atômica com a descoberta dos raios X, pelo alemão Wihelm Roentgen, em 1895, e foi aprimorada através de Rutherford e James Chadwick, em 1932, pois até meados do século XIX, segundo a teoria atômica de Dalton, acreditava-se que os átomos eram esferas maciças, indestrutíveis e indivisíveis.
Através da Física Nuclear os cientistas descobriram maneiras de dividir o núcleo do átomo para liberar grandes quantidades de energia. Ao se partir um núcleo, ele faz com que muitos outros se dividam numa reação nuclear em cadeia; nas usinas nucleares essas reações são controladas e produzem artificialmente grandes quantidades de energia, como luz e calor para a população.
Para extrair um elétron de um átomo, é necessária certa quantidade de energia. Da mesma forma, cada núcleo (próton ou nêutron) necessita também de grande quantidade de energia, que é da ordem de milhões de vezes. Por esse motivo, a física nuclear é denominada física de alta energia.
Partindo desse princípio, é possível fazer uma classificação básica das forças que existem, sendo elas:
Força gravitacional, que faz uma relação direta de atração mútua entre corpos, sendo responsável pela órbita dos planetas. - Forças eletromagnéticas, que dão origem aos fenômenos elétricos, às reações químicas e aos ímãs. - Força nuclear fraca, que produz o decaimento, no qual um elétron é emitido do núcleo.
Força nuclear forte, que é responsável por manter as partículas do núcleo (prótons e nêutrons) unidas, mesmo contendo cargas elétricas iguais, por isso ela é muito mais intensa que a força elétrica e que a força gravitacional.
Nas reações nucleares, há uma enorme quantidade de energia envolvida, assim é dado o incrível poder destrutivo das bombas nucleares. Estas podem ser de fissão, chamadas bombas atômicas, ou de fusão, chamadas de bomba de hidrogênio. O sol é a maior fonte de energia nuclear e gera energia realizando fusão nuclear. Em seu núcleo, ocorrem milhões de reações nucleares em cadeia, pois o intenso calor do Sol faz com que seus átomos se choquem uns contra os outros, assim cerca de 69 milhões de toneladas de hidrogênio se fundem formando 65 milhões de toneladas de hélio e essas 4 milhões de tonelada hidrogênio que sobram se transformam em energia que sentimos na forma de calor e enxergamos na forma luz.
Podemos destacar várias aplicações para a Física Nuclear, como obtenção de energia elétrica em usinas nucleares, nas reações nucleares de fissão (A quebra de um núcleo atômico resulta em novos núcleos e produz uma grande liberação de energia porque a massa total dos novos elementos é menor que a do núcleo original. A massa que sobra é emitida sob a forma de energia, esta é a fissão), produzindo calor aquecendo a água que movimenta turbina para também produzir eletricidade, na medicina com o desenvolvimento de métodos para produzir materiais radioativos (Raios-X) utilizados em diagnósticos e tratamentos médicos (radiologia – combatendo tumores), e também as bombas atômicas e armas nucleares (fazendo mau uso da ciência, exemplificando: As explosões nucleares que ocorreram em Hiroshima e Nagasaki na I Guerra Mundial depois que os Estados Unidos jogaram duas bombas atômicas sobre as cidades).
Hoje, o alcance da física nuclear se estende desde as partículas mais fundamentais, como os quarks, até gigantescas estruturas do universo, como as supernovas, estudando seu funcionamento e propriedades.
Funcionamento
As usinas nucleares utilizam o princípio da fissão nuclear para gerar calor, dentro do Reator Nuclear, centenas de varetas contendo material radioativo são fissionadas, liberando muito calor. Este calor irá aquecer a água (totalmente pura) que fica dentro do reator. Ela pode chegar a incríveis 1500°C a uma pressão de 157atm. Essa água quente irá seguir por tubos, até o vaporizador, depois volta ao reator, completando o circuito primário.
No vaporizador será fervida outra quantidade de água, pelo calor de tubos onde passam a água extremamente quente do reator. O vapor gerado sairá por canos, até onde ficam localizadas as turbinas e o gerador elétrico. O vapor d’água pode girar as pás das turbinas a uma velocidade de 1800rpm. Depois que o vapor executar sua função, ele segue para o condensador, onde vai virar água novamente e retornar ao vaporizador. Este é o chamado circuito secundário.
Para que o condensador transforme o vapor do circuito secundário em água, é necessário que ele seja abastecido de água fria. Essa água fria pode vir de rios e lagos próximos. Ao passar pelo condensador, esta água fica quente, necessitando ser resfriada nas torres de resfriamento (a maior parte de uma usina nuclear). Este é o circuito terciário (ou sistema de água de refrigeração).
Segurança
Uma usina nuclear possui vários sistemas de segurança, que entram em ação automaticamente em casos de emergência. O principal deles é o sistema que neutraliza a fissão nuclear dentro do reator. São centenas de barras, feitas de materiais não fissionáveis (isto é, mesmo absorvendo nêutrons livres, não se dividem), como boro e cádmio, que são injetadas no meio reacionário.
O reator fica envolvido por uma cápsula de 3 cm de espessura, feita de aço.
O edifício é protegido com paredes de 70 cm, feitas de concreto e estrutura de ferro e aço, e podem aguentar ataques terroristas (mísseis, aviões, etc).
Existem também órgãos internacionais, que vistoriam periodicamente as usinas nucleares, em busca de irregularidades e falhas.
Lixo Radioativo
Os principais componentes que compõem o lixo radioativo produzido nas usinas nucleares são os produtos da fissão nuclear que ocorre no reator. Após anos de uso de certa quantidade de Urânio, o combustível inicial vai se transformando em outros produtos químicos, como criptônio, bário, césio, que não tem utilidade na usina. Ferramentas, roupas, sapatilhas, luvas e tudo o que esteve em contato direto com esses produtos, é classificado como lixo radioativo.
Nos Estados Unidos, os restos são colocados em tambores lacrados, e enterrados bem fundo em desertos. O custo para armazenar os tambores são tão grandes quanto à manutenção da usina. Existem projetos para levar o lixo radioativo em cápsulas em direção ao sol, o que poderia ser uma solução definitiva para o problema, já que por 100.0 anos a radiação estará sendo emitida por esses materiais.
Os reatores desativados também são incluídos nessa classificação. Nenhum reator nuclear usado foi aberto no mundo todo. Geralmente são cobertos de concreto e levados para outro lugar.
Para os ambientalistas, o destino do lixo radioativo é o principal motivo deles serem contra a energia nuclear, já que ainda não se tem uma solução definitiva, e pouco se sabe das consequências da radiação para o meio ambiente. Alguns anos após a explosão de Chernobyl, na Ucrânia, milhares de pessoas desenvolveram doenças estranhas, que são atribuídas à radioatividade na região.
Impactos gerados
Os vários desenvolvimentos tecnológicos que têm origem na pesquisa em Física Nuclear desempenham um papel importante em um número imenso de aplicações práticas. A energia nuclear constitui-se numa fundamental componente da política energética, sendo que o desenvolvimento de novos conceitos em reatores de fissão poderá resultar em reatores ainda mais eficientes e seguros.
Técnicas nucleares vêm sendo largamente aplicadas em diagnóstico e tratamento de doenças, por meio da Radiologia Diagnóstica, Radioterapiae Medicina Nuclear. Para citar apenas alguns dentre os muitos exemplos: terapia de câncer com prótons ou com feixes de íons pesados (12C, por exemplo), imagens por ressonância magnética, tomografia por emissão de pósitrons (PET) para gerar imagens de funções do cérebro, uso de iodo radioativo como traçador do funcionamento da tireoide. Os radioisótopos também são utilizados como traçadores em pesquisas relacionadas aos mais variados campos como Genética, Fisiologia, Botânica, etc.
Ainda no campo da medicina, os radioisótopos produzidos em reatores nucleares ou aceleradores de partículas têm sido frequentemente associados a substâncias químicas na formação de compostos chamados de radiofármacos, os quais se associam a determinado tecido ou órgão humano objetivando o diagnóstico de doenças.
Há várias técnicas de utilização dessas substâncias, sendo que, uma bem conhecida é a cintilografia, que utiliza a propriedade do radiofármaco de ter um comportamento biológico que é idêntico ao de similares não radioativos, como é o exemplo da concentração de iodo, radioativo ou não, na tireoide. Após o tempo necessário para a fixação do composto no órgão a se pesquisar, imagens são produzidas em câmaras de cintilação ou por outros aparelhos de detecção de radiação. A detecção gera uma imagem, onde os pontos mais claros são aqueles que emitem maior radiação. Além da imagem, a concentração e a captação do radiofármaco também são fatores para o diagnóstico feito pelo médico. A utilização desse tipo de imagem inovou o mundo do diagnóstico, pois, diferente das outras formas de imagem, como radiografia simples, a detecção de radio fármacos avalia o perfeito funcionamento do órgão e não, apenas sua morfologia.
Na agricultura, novas variedades de plantas com características melhoradas vêm sendo criadas por meio do processo de mutação induzida pela radiação. A excepcional sensibilidade das técnicas nucleares analíticas tem sido utilizada para o estudo estratégico do meio ambiente, como em pesquisas de poluição do ar, bem como em Arqueologia, por exemplo, na datação de objetos, em Biologia, Química, Odontologia, etc.
O uso de aceleradores nucleares também encontra importantes aplicações na indústria. Por exemplo, feixes de partículas carregadas e raios gama são utilizados na esterilização de alimentos, na determinação da composição e propriedades de materiais, etc. Além disso, o desenvolvimento da pesquisa em Física Nuclear, por meio de novas e sofisticadas técnicas experimentais, também propicia o desenvolvimento de inovações tecnológicas não propriamente na área de Física Nuclear. Assim, inovações em tecnologia do vácuo, em criogenia, etc, muitas vezes decorrem da pesquisa em Física Nuclear. Com o crescente desenvolvimento de tecnologias, espera-se que novas e importantes aplicações continuem surgindo, consolidando cada vez mais a contribuição da Física Nuclear para o desenvolvimento e bem estar da sociedade.
Para o desenvolvimento de projetos experimentais em Física Nuclear é necessário constantemente o projeto e construção de equipamentos de ponta, que serão os embriões que contribuirão significativamente para o desenvolvimento do parque de instrumentação científica do país, desde avanços significativos em áreas como eletrônica e novos materiais, chegando a equipamentos supercondutores. 
A Física Nuclear sempre fez uso intenso de sistemas computacionais de alto desempenho e tradicionalmente vem desempenhando um papel pioneiro no uso de novas tecnologias no Brasil, tanto no que se refere a sistemas de aquisição de dados como em ferramentas para processamento e análise dos mesmos. No início dos anos de 1990, com a popularização e barateamento de computadores pessoais, tanto a aquisição quanto análise de dados em baixas energias migraram dos mainframes centralizados para essa nova arquitetura, propiciando maior eficiência e capacidade de atualização.
A Física Nuclear ganha espaço também quando é associada à geração de energia. É inevitável o receio da sociedade quando se fala na construção de usinas nucleares. Os riscos associados a essa energia são notáveis. Acidentes como o de Chernobyl, na antiga URSS, danos ao meio ambiente por vazamentos radioativos, a construção de armas nucleares, a contaminação por Césio 137, em Goiânia, e mais recentemente o ocorrido na usina de Fukushima, cidade japonesa, receberam ampla cobertura, e causaram uma crescente rejeição por essa forma de geração de energia.
Mesmo com os riscos de contaminação acidental, a energia nuclear pode ser considerada “limpa” e também uma alternativa para combater o aquecimento global. Para construir uma usina termonuclear não é necessário devastar grandes áreas arborizadas, represar rios, além de não existir a emissão gases prejudiciais à atmosfera.
Claramente, a importância da Física Nuclear para o conhecimento básico da natureza, sua relevância na produção de energia, sua abrangência interdisciplinar e a ampla gama de aplicações práticas em tão diferentes áreas, a torna uma área de extrema importância estratégica para o país.
O trabalho na formação do aluno
A atividade prática supervisionada é um método de ensino e aprendizagem utilizado nas universidades, sendo por um meio de atividades que são desenvolvidas, programadas e supervisionadas, que tem como objetivo: favorecer ao máximo no aprendizado e estimulo do aluno. Esse trabalho ajuda no melhoramento do estudo, da convivência, no trabalho em grupo, auxilia o desenvolvimento dos estudos independentes e o auto aprendizado, favorecendo diferentes modos e ambientes de estudo ao aluno.
É de extrema importância essa fase do processo, por vários motivos, por mais que o professor se dedique na explicação em aula, o conteúdo pode não ser bem absorvido pelo aluno, por isso ajuda muito na aprendizagem, abrindo-se a mente do aluno, proporcionando uma capacidade maior de entendimento, e estimulando novos conhecimentos, maximizando todo seu poder intelectual e de entendimento da matéria, assim, ajudando numa base forte da sua formação. Todo conhecimento adquirido com o trabalho e a pesquisa do tema em si, ajudará o aluno futuramente, a descobrir, conhecer, desenvolver novas técnicas na área de atuação, fazendo com que aconteça uma autovalorização no mercado de trabalho, que hoje em dia é muito disputada, proporcionando ao aluno utilizar todo estudo teórico e prático para o dia a dia de trabalho.
Para atingir todos estes objetivos acadêmicos e profissionais, é de grande importância, fazer um bom aproveitamento de todo aprendizado recebido, assim fortalecendo a sua formação profissional, gerando futuramente um grande profissional.
Conclusão
A Física Nuclear tem se mostrado com potencial para o benefício da população, porém muitos estudos ainda devem ser feitos até atingir o real objetivo de obter uma energia limpa sem riscos astronômicos para a sociedade.
Apresento algumas vantagens e desvantagens para que os estudos possam valorizar os benefícios e achar soluções para os pontos desfavoráveis: 
Vantagens: 
- Não contribui para o efeito de estufa;
- Não polui o ar com gases de enxofre, nitrogênio, particulados, etc.;
- Não utiliza grandes áreas de terreno: a central requer pequenos espaços para sua instalação; - Não depende da sazonalidade climática (nem das chuvas, nem dos ventos);
- Pouco ou quase nenhum impacto sobre a biosfera;
- Grande disponibilidade de combustível;
- É a fonte mais concentrada de geração de energia
- A quantidade de resíduos radioativos gerados é extremamente pequena e compacta; - A tecnologia do processo é bastante conhecida;
- O risco de transporte do combustível é significativamente menor quando comparado ao gás e ao óleo das termoelétricas; - Não necessita de armazenamento da energia produzida em baterias
Desvantagens: 
- Necessidade de armazenar o resíduo nuclear em locais isolados e protegidos (esta desvantagem provavelmente durará pelo menos 30 anos, a partir de quando já se esperam desenvolvidas tecnologias para reciclagem e reaproveitamento dos resíduosradioativos); - Necessidade de isolar a central após o seu encerramento;
- É mais cara quando comparada às demais fontes de energia;
- Os resíduos produzidos emitem radioatividade durante muitos anos;
- Dificuldades no armazenamento dos resíduos, principalmente em questões de localização e segurança;
- Pode interferir com ecossistemas;
 - Grande risco de acidente na central nuclear.
Através da Física Nuclear obtemos a Energia Nuclear e concluímos que esta pode ser usada para o bem da humanidade (produzindo energia elétrica, desenvolvendo melhorias na medicina para diagnósticos mais expressivos e etc), porém também pode causar várias catástrofes com o seu mau uso.
A Energia Nuclear é a energia liberada numa reação nuclear, ou seja, em processos de transformação de núcleos atômicos. Alguns isótopos de certos elementos apresentam a capacidade de se transformar em outros isótopos ou elementos através de reações nucleares, emitindo energia durante esse processo. Baseia-se no princípio da equivalência de energia e massa (observado por Albert Einstein), segundo a qual durante reações nucleares ocorre transformação de massa em energia.
A tecnologia nuclear tem a finalidade de aproveitar a energia nuclear, convertendo o calor emitido na reação em energia elétrica. Isso pode acontecer controladamente em reator nuclear ou descontroladamente em bomba atômica. Em outras aplicações aproveita-se da radiação ionizante emitida.
Atualmente, embora as dificuldades técnicas no avanço da tecnologia, procura-se imitar nos laboratórios os processos de fusão que ocorrem nas estrelas, para assim aproveitar realmente esta energia liberada em benefício humano.
Bibliografia
http://fisica-iemano.blogspot.com.br/2009/06/fisica-nuclear.html http://www.brasilescola.com/fisica/a-fisica-nuclear.htm http://www.coladaweb.com/fisica/fisica-nuclear http://www.portalsaofrancisco.com.br/alfa/fisica-nuclear/fisica-nuclear.php http://www.infoescola.com/fisica/fisica-nuclear/ http://nautilus.fis.uc.pt/personal/cfiolhais/extra/artigos/histfisnuclea.htm http://www.energiaeambiente.wordpress.com http://www.brasilescola.com/geografia/energia-nuclear.htm http://www.comciencia.br/reportagens/nuclear http://www.estadao.com.br/noticias http://diariodonordeste.globo.com/ http://www.sociedadenewtoniana.kit.net/socnewtoniana/textoprofissaofisica.htm http://pt.wikipedia.org/wiki/F%C3%ADsica_nuclear http://www.infoescola.com/fisica/fisica-nuclear/ http://www.infoescola.com/fisica/principios-da-usina-nuclear/ http://www.fisica.net/nuclear/ http://www.ufsm.br/gef/Nuclear01.htm http://www.fisica.net/nuclear/fisica_nuclear_telecurso.pdf http://www.infoescola.com.brhttp://www.sbfisica.org.br/v1/arquivos_diversos/4CNCTeI/nuclear.pdf http://trad.fis.unb.br/pet-fisica/artigos/Energia_nuclear_e_seus_usos_na_sociedade.