Energia Nuclear - Como Funciona.

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. Foi descoberta por Hahn, Straßmann e Meitner com a observação de uma fissão nuclear depois da irradiação de urânio com nêutrons.

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.

O que é o urânio enriquecido?

Só de ler esse nome a gente já pensa em bombas nucleares, né? Mas a principal utilidade do urânio enriquecido é gerar energia elétrica. Ele recebe o adjetivo porque o urânio encontrado na natureza é bastante "pobre": 99,27% do metal é formado por urânio-238, que não serve para as usinas nucleares.

Energeticamente falando, o que interessa mesmo é o urânio-235 (U-235), que compõe menos que 1% da massa total do urânio extraído nas minas. O produto enriquecido nada mais é que o metal bruto com uma porcentagem de U-235 aumentada artificialmente. Quando essa quantidade chega a 2% ou 3%, o produto já é capaz de gerar energia nas usinas.

Mesmo com essa proporção aparentemente baixa, a força que tal matéria-prima gera é absurda: alguns gramas de urânio enriquecido fornecem energia equivalente à da queima de toneladas de carvão ou de milhões de litros de gasolina. Esse poder todo vem da fissão, ou seja, da quebra dos átomos do U-235. Não existe forma mais eficiente de obter energia do que quebrar átomos.

E o U-235 tem justamente a propriedade de se romper sem resistência. Basta lançar uma partícula - um nêutron, no caso -, para que ele arrebente e gere energia pura. Um exemplo funesto dessa força está nas bombas atômicas. A diferença é que o urânio dessas armas é bem mais rico em U-235 que o das usinas. O urânio-238 que sobra do enriquecimento não vai todo para o lixo.

Entre outras coisas, ele pode ser convertido em plutônio, que também serve para as usinas nucleares e, infelizmente, para a fabricação de mais bombas.

Inicialmente, o urânio é extraído de pedreiras ou de minas. Ele não é encontrado em sua forma natural, mas misturado a outros elementos diferentes. O mineral bruto contém apenas 0,3% de urânio.

Em seguida, o urânio é separado dos outros elementos minerais e o que sobra é o óxido de urânio, conhecido como "yellow cake" ("bolo amarelo", em tradução literal). Depois, o óxido de urânio é convertido em um composto gasoso, o hexafluorido de urânio.

Para ser enriquecido e transformado em combustível, o hexafluorido de urânio é processado em centrífugas nucleares.

O gás é submetido a rotação em velocidades extremas. Os átomos de urânio mais pesados (U-238) se concentram no alto da centrífuga, e os mais leves (U-235) ficam no centro. O gás recuperado no centro é enviado para uma nova centrífuga, que repete o processo sucessivamente, aumentando o grau de concentração de urânio. As usinas que fazem esse processo possuem milhares de centrífugas.

Para alimentar um reator nuclear de uso civil, é necessário que a taxa de enriquecimento de urânio esteja entre 3% e 5%. Para construir uma bomba atômica, é necessário ter urânio enriquecido em ao menos 90%.

Enriquecimento de Urânio - Concentração perigosa

O processo de coletar o urânio natural, contendo 0,7% de U235, 99,3% de U238 e traços de U234, e retirar uma quantidade de 238 para aumentar a concentração de 235, é conhecido como enriquecimento. O melhor processo é aquele que envolve o menor custo de produção. Para a produção de 1 kg de U235 enriquecido entre 3 e 3,5 % é necessário o consumo de cerca de 2.300 KWh

1. O urânio sai das minas na forma de dióxido de urânio (UO2), misturado a argila, enxofre e outras impurezas. Uma tonelada desse metal na natureza contém apenas 7 quilos de urânio-235 (U-235), o ideal para gerar energia nuclear. O principal composto restante é o menos aproveitável urânio-238 (U-238)

2. O urânio bruto é limpo com elementos como ácido sulfúrico e transformado em pó. Depois, é submetido a um gás à base de flúor sob uma temperatura de 550 ºC, tornando-se uma substância gasosa também. Esse produto passa por um novo banho de flúor, a 350 ºC, e vira um gás com moléculas compostas por um átomo de urânio e seis de flúor (UF6)

3. O UF6 é direcionado contra uma espécie de peneira, uma barreira cheia de poros microscópicos. O U-235 é menor que o U-238 e passa pelos poros mais facilmente. A passagem pela "peneira" é repetida até a concentração de U-235 chegar ao nível desejado. Depois, outros processos separam o urânio enriquecido do flúor e transformam o metal gasoso em tabletes sólidos

4A. O urânio pobre - o U-238 barrado na "peneira" - também tem utilidade. Ele é aplicado na blindagem de tanques de guerra e na construção de projéteis (munições), já que é 2,5 vezes mais pesado que o aço. Mas também há um uso civil: denso, ele serve como contrapeso na carcaça de aviões

4B. O urânio pouco enriquecido, com 2% a 4% de U-235, é suficiente para as usinas nucleares. Nelas, a energia criada pela fissão desses átomos é usada para ferver água. E o vapor resultante move as turbinas, gerando eletricidade. Esse mesmo urânio também é usado para impulsionar submarinos e porta-aviões nucleares

4C. O metal altamente enriquecido tem entre 90% e 99% de U-235. Como essa concentração é muito grande, o produto gera uma energia absurda em frações de segundo. Por isso esse é o urânio enriquecido usado nas bombas atômicas. Alguns gramas dele causam mais destruição do que a vista em Hiroshima, no Japão, em 1945.

O Reator Nuclear.

De uma forma simplificada, um Reator Nuclear é um equipamento onde se processa umareação de fissão nuclear, assim como um reator químico é um equipamento onde seprocessa uma reação química.

Um Reator Nuclear para gerar energia elétrica é, na verdade, uma  Central Térmica,onde a fonte de calor é o urânio-235, em vez de óleo combustível ou de carvão. É, portanto,uma Central Térmica Nuclear.

O urânio, enriquecido a cerca de 3,2% em urânio-235, é colocado, em forma de pastilhas de 1 cm de diâmetro, dentro de tubos (“varetas”) de 4m de comprimento, feitos de uma liga especial de zircônio, denominada “zircalloy”.

As varetas, contendo o urânio, conhecidas como Varetas de Combustível, são montadas em feixes, numa estrutura denominada ELEMENTO COMBUSTÍVEL.

As varetas são fechadas, com o objetivo de não deixar escapar o material nelas contido (o urânio e os elementos resultantes da fissão) e podem suportar altas temperaturas.

A Vareta de Combustível é a primeira barreira que serve

para impedir a saída de material radioativo para o meio ambiente.

Os elementos resultantes da fissão nuclear (produtos de fissão ou  fragmentos da fissão) são radioativos, isto é, emitem radiações e, por isso, devem ficar retidos no interior do Reator

Na estrutura do Elemento Combustível existem tubos guias, por onde podem passar as barras de controle, geralmente feitas de cádmio, material que absorve nêutrons, com o objetivo de controlar a reação de fissão nuclear em cadeia.

Quando as barras de controle estão totalmente para fora, o Reator está trabalhando no máximo de sua capacidade de gerar energia térmica.

Quando elas estão totalmente dentro da estrutura do Elemento Combustível, o Reator está “parado” (não há reação de fissão em cadeia).

Os Elementos Combustíveis são colocados dentro de um grande vaso de aço, com “paredes” bastante espessas, mais de 30 cm.

Esse enorme recipiente, denominado Vaso de Pressão do Reator, é montado sobre uma estrutura de concreto, com cerca de 5 m de espessura na base.

O Vaso de Pressão do Reator é a segunda barreira física que serve para impedir a saída de material radioativo para o meio ambiente.

O Vaso de Pressão contém a água de refrigeração do núcleo do reator (os elementos combustíveis). Essa água fica circulando quente pelo Gerador de Vapor, em circuito, isto é, não sai desse Sistema, chamado de Circuito Primário.

A água que circula no Circuito Primário é usada para aquecer uma outra corrente de água, que passa pelo Gerador de Vapor.

A outra corrente de água, que passa pelo Gerador de Vapor para ser aquecida e transformada em vapor, passa também pela turbina, em forma de vapor, acionando-a.  É, a seguir, condensada e bombeada de volta para o Gerador de Vapor, constituindo um outro Sistema de Refrigeração, independente do primeiro.

O sistema de geração de vapor é chamado de Circuito Secundário.

A independência entre o Circuito Primário e o Circuito Secundário tem o objetivo de evitar que, danificando-se uma ou mais varetas, o material radioativo (urânio e produtos de fissão) passe para o Circuito Secundário. É interessante mencionar que a própria água do Circuito Primário é radioativa.

O Vaso de Pressão do Reator e o Gerador de Vapor são instalados em uma grande “carcaça” de aço, esse envoltório, construído para manter contidos os gases ou vapores possíveis de serem liberados durante a operação do Reator, é denominado Contenção.

                 

A Contenção é a terceira barreira que serve para impedir a saída de material radioativo para o meio ambiente.

Um último envoltório, de concreto, revestindo a Contenção, é o próprio Edifício do Reator. Tem cerca de 1 m de espessura.

                 

O Edifício do Reator, construído em concreto e envolvendo a Contenção de aço, é a quarta barreira física que serve para impedir a saída de material radioativo para o meio ambiente e, além disso, protege contra impactos externos (queda de aviões e explosões).

Acidente Nuclear – Definição.

Apesar de um Reator Nuclear não poder explodir como uma bomba atômica, isso não quer dizer que não seja possível ocorrer um acidente em uma Central Nuclear.

Por esse motivo, a construção de uma  Usina Nuclear envolve vários aspectos de segurança, desde a fase de projeto até a construção civil, montagem dos equipamentos e operação.

Um acidente é considerado nuclear, quando envolve uma reação nuclear ou equipamento onde se processe uma reação nuclear.

O perigo potencial na operação dos Reatores Nucleares é representado pela alta radioatividade dos produtos da fissão do urânio e sua liberação para o meio ambiente.

A filosofia  de segurança  dos  Reatores  Nucleares  é dirigida  no  sentido de que as Usinas Nucleares sejam projetadas, construídas e operadas com os mais elevados padrões de qualidade e que tenham condições de alta confiabilidade.

As barreiras físicas citadas constituem um Sistema Passivo de Segurança, isto é, atuam, independentemente de qualquer ação.

Para a operação do Reator,  Sistemas de Segurança são projetados para atuar, inclusive de forma redundante: na falha de algum deles, outro sistema, no mínimo, atuará, comandando, se for o caso, a parada do Reator.