Energia Nuclear
A energia nuclear é a que se obtém por processos de transformação de
núcleos atômicos em outros, mediante mecanismos de fissão de núcleos
pesados em fragmentos menores, ou de fusão de núcleos leves em outros
maiores.Em 16 de julho de 1945, ocorreu em Alamogordo, no estado americano de Nevada, o primeiro teste de uma bomba nuclear. A experiência prenunciou as explosões que destruiriam grande parte das cidades japonesas de Hiroxima e Nagasaki em 6 e 9 de agosto do mesmo ano. O fundamento físico de tais explosões, a energia nuclear, encontrou mais tarde vasto campo de aplicações pacíficas.
História - Logo depois de anunciada a descoberta da fissão
nuclear, em 1939, também se observou que o isótopo fissionável que
participa da reação é o urânio-238 e que se emitem nêutrons no processo.
Especulava-se na época que uma reação de fissão em cadeia poderia ser
explorada como fonte de energia. No entanto, ao iniciar-se a segunda
guerra mundial, em setembro de 1939, os físicos voltaram suas pesquisas
para tentar usar a reação em cadeia para produzir uma bomba.
No início de 1940, o governo americano destinou recursos para uma
pesquisa que mais tarde se transformou no Projeto Manhattan. Esse
projeto incluía trabalhos sobre enriquecimento de urânio para obter
urânio-235 em altas concentrações e também pesquisas para o
desenvolvimento de reatores nucleares. Eram dois os objetivos:
compreender melhor a reação em cadeia para projetar uma bomba nuclear e
desenvolver uma forma de produzir um novo elemento químico, o plutônio,
que, segundo se acreditava, seria físsil e poderia ser isolado
quimicamente a partir do urânio.
O primeiro reator nuclear foi construído na Universidade de Chicago, sob a supervisão do físico italiano Enrico Fermi. O equipamento produziu uma reação em cadeia em 2 de dezembro de 1942. Imediatamente após a segunda guerra mundial, cientistas e engenheiros de vários outros países empreenderam pesquisas destinadas a desenvolver reatores nucleares para a produção de energia em larga escala. Em 1956, o Reino Unido inaugurou em Calder Hall a primeira usina nuclear totalmente comercial. Um ano depois, entrou em operação a primeira usina americana desse tipo.
O número de grandes usinas nucleares aumentou rapidamente em muitos países industrializados até o final da década de 1970. Depois disso, houve uma significativa redução no ritmo de utilização da energia nuclear para fins comerciais, por diversas razões: a demanda de energia elétrica ficou muito abaixo do que se esperava; o custo de construção de novas usinas nucleares era alto; a opinião pública pressionava contra a construção de usinas, principalmente depois dos catastróficos acidentes ocorridos na usina de Three Mile Island, nos Estados Unidos, e em Tchernóbil, na Ucrânia, então parte da União Soviética. Entretanto, França, Japão, Coreia do Sul e Tailândia, que dispõem de poucas alternativas energéticas, continuaram a usar a energia nuclear.
Reações nucleares - Três tipos de reações nucleares produzem grandes
quantidades de energia: (1) a desintegração radioativa, processo segundo
o qual um núcleo se converte espontaneamente no núcleo de outro isótopo
ou elemento; (2) a fissão nuclear, pela qual um núcleo pesado se divide
em dois outros e libera a energia neles contida; e (3) a fusão nuclear,
segundo a qual dois núcleos atômicos leves, submetidos a temperaturas
elevadíssimas, reagem para formar um único núcleo, de peso maior.
Todos os reatores nucleares produzem energia a partir da reação de
fissão, mas os cientistas acreditam que a fusão nuclear controlada pode
originar uma fonte de energia alternativa relativamente barata de
geração de eletricidade, o que ajudaria a conservar o suprimento de
combustíveis fósseis do planeta, em rápido esgotamento.
Produção de energia nuclear - No processo de fissão, um núcleo pesado,
como o urânio, absorve um nêutron e se divide em dois fragmentos de
massa aproximadamente idêntica. A reação libera grande quantidade de
energia, assim como muitos nêutrons, que colidem com outros núcleos
pesados e provocam sua fissão. A repetição desse processo gera uma
reação em cadeia na qual vários bilhões de núcleos são fissionados numa
pequena fração de segundos.
Num reator nuclear, essa série de fissões é cuidadosamente controlada, o
que permite utilizar a enorme quantidade de energia liberada, que
ocorre em forma de radiação e de energia cinética dos produtos da fissão
lançados a altas velocidades. Boa parte dela se transforma em energia
térmica quando os produtos da fissão entram em repouso. Uma porção dessa
energia é usada para aquecer água e convertê-la em vapor de alta
pressão, que faz funcionar uma turbina. A energia mecânica da turbina é
então convertida em eletricidade por um gerador.
Além de valiosa fonte de energia elétrica para uso comercial, os reatores nucleares também servem para impelir alguns tipos de navios militares, submarinos e certas naves espaciais não-tripuladas. Outra importante aplicação dos reatores é a produção de isótopos radioativos, amplamente usados na pesquisa científica, na terapêutica e na indústria. Os isótopos são criados pelo bombardeamento de substâncias não-radioativas com os nêutrons liberados durante a fissão.
Combustível
O único material presente na natureza pronto para ser
fissionado e capaz de manter uma reação em cadeia é o urânio-235. É um
isótopo raro: no urânio natural, ocorre na proporção de um para
aproximadamente 140 de outro isótopo, o urânio-238. Quando um nêutron
lento colide com o núcleo do átomo de urânio-235, ele se torna
repentinamente instável, divide-se em dois fragmentos e libera em média
dois a três nêutrons. Desses nêutrons, ao menos um deve produzir outra
fissão, caso se pretenda que a reação em cadeia continue. Isso é muito
difícil de conseguir com o urânio natural, porque sua concentração de
núcleos de urânio-235 é tão pequena que os nêutrons podem escapar do
combustível nuclear sem colidir com o núcleo fissionável, ou podem se
chocar com o núcleo do urânio-238 e serem absorvidos.
Para reduzir essa possibilidade, usa-se como combustível do reator o urânio enriquecido, que contém uma percentagem maior de urânio-235 do que o urânio natural. O enriquecimento se obtém por vários processos, como, por exemplo, difusão gasosa. Como os recursos de urânio-235 existentes no mundo são limitados, projetaram-se reatores regeneradores capazes de converter urânio não-fissionável e outros elementos em isótopos fissionáveis.
Moderadores
A maioria dos reatores comerciais de potência requer um
moderador para reduzir a velocidade dos nêutrons, de forma a aumentar a
possibilidade de que eles consigam fissionar o urânio-235. Substâncias
como a água, o óxido de deutério (água pesada) e a grafita foram
consideradas moderadores eficazes porque conseguem reduzir a velocidade
dos nêutrons durante o processo de fissão sem reduzir muito seu número
por absorção.
Barras de controle
O controle sobre a taxa de emissão de nêutrons, e
portanto sobre a reação, se faz mediante a introdução no núcleo dos
reatores de materiais que absorvem os nêutrons. Esses materiais, que
podem ser barras de cádmio ou boro, são retirados gradualmente do núcleo
do reator antes que uma reação em cadeia se inicie. Elas são
reintroduzidas sempre que a série de fissões começa a se realizar a alta
velocidade, o que poderia resultar na liberação de uma quantidade
excessiva de energia e radiação, causando assim a fusão do núcleo.
Refrigerantes
O calor liberado pelas fissões é removido do núcleo do
reator por uma substância refrigerante, que pode ser líquida ou gasosa.
Os refrigerantes devem ter boas propriedades de transferência de calor,
assim como fraca propriedade de absorver nêutrons. Tanto a água leve
(comum) quanto a pesada são empregadas como refrigerantes, o que ocorre
também com metais líquidos (sódio, por exemplo), hélio e várias outras
substâncias.
Estrutura de contenção
À medida que a reação em cadeia prossegue, os
produtos da fissão se acumulam no núcleo do reator. A maioria desses
fragmentos é altamente radioativa e emite raios gama e nêutrons. Para
proteger os operadores da usina e outras pessoas próximas da radiação
desses fragmentos, e da radiação produzida diretamente pelo processo de
fissão, o reator é cercado por paredes e um piso de concreto bastante
espesso, que constituem a estrutura de contenção.
Rejeitos
O manipulação dos produtos radioativos da fissão é um problema
mais difícil de resolver do que a contenção do núcleo do reator. Alguns
desses resíduos nucleares se mantêm perigosamente radioativos por
milhares de anos e, portanto, devem ser eliminados ou armazenados de
forma permanente. Ainda não foi descoberto, no entanto, um método
prático e seguro de tratamento desses resíduos.
Segurança
Como acontece a toda atividade humana, a produção de energia
nuclear não pode ser considerada absolutamente isenta de riscos. As
medidas preventivas visam, portanto, minimizar o risco de acidentes.
Estudos realizados nos Estados Unidos na década de 1970 concluíram que
era extremamente baixo o risco de um acidente numa usina nuclear atingir
grande número de pessoas. Em 1979, porém, uma unidade da usina de Three
Mile Island sofreu um grave acidente. Por uma combinação de erros de
operadores da usina, associados à falha de uma válvula, a água
refrigerante se perdeu e algumas partes do núcleo do reator fundiram.
Grande quantidade de produtos de fissão foi liberada do reator para o
interior da estrutura de contenção, que conseguiu reter a maior parte da
radioatividade. A pequena quantidade que escapou teve sérias
consequências.
Após as investigações, ficou claro que o elemento humano é muito mais importante como fator de segurança numa usina nuclear do que se havia reconhecido até então. Por essa razão, foram introduzidas várias mudanças no treinamento de operadores, técnicos e inspetores. Essas mudanças foram consideradas eficazes para reduzir a probabilidade de ocorrência de acidentes graves quanto o de Three Mile Island, mas aumentaram sensivelmente os custos de operação das usinas nucleares.
A questão da importância do elemento humano para o correto funcionamento das usinas nucleares voltou a ser debatida após a catástrofe de Tchernóbil, em 1986. Um dos quatro reatores da usina explodiu e pegou fogo. Antes que a situação pudesse ser controlada, 31 pessoas haviam morrido. Aproximadamente 25% do conteúdo radioativo do reator vazou, 135.000 pessoas tiveram que ser evacuadas do local e uma imensa área na vizinhança da usina foi de tal forma contaminada pela radioatividade que não pode mais ser cultivada. Na época, estimou-se que de quatro mil a quarenta mil casos de câncer resultariam desse acidente.
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