Vídeo da entrada da usina nuclear de Angra dos Reis
Introdução
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| energia nuclear | | ||
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 A edificação de contenção, em formato de domo, da Usina Nuclear de Shearon Harris, perto de Raleigh, Carolina do Norte |
Você já imaginou como uma usina de energia nuclear funciona ou o quão segura ela é? Neste artigo vamos analisar como um reator nuclear e uma usina de energia funcionam e vamos explicar a fissão nuclear, mostrando um reator nuclear por dentro.
Urânio
O urânio é um elemento bastante comum na Terra, incorporado ao planeta durante sua formação. O urânio é formado originalmente nas estrelas. Estrelas antigas explodiram, e a poeira dessas estrelas despedaçadas se agregou para formar nosso planeta. O urânio-238 (U-238) tem uma meia-vida extremamente longa (4,5 bilhões de anos), e portanto ainda está presente em quantidades bem grandes. O U-238 compõe 99% do urânio no planeta. O U-235 compõe cerca de 0,7% do urânio remanescente encontrado naturalmente; o U-234, ainda mais raro, é formado pelo decaimento do U-238. O urânio-238 passa por muitos estágios, ou decaimento alfa e beta, para formar um isótopo (em inglês) estável de chumbo, e o U-234 é um elo nessa corrente.
O urânio-235 tem uma propriedade interessante que o torna útil tanto para produção de energia nuclear quanto para a produção de uma bomba nuclear. O U-235 decai naturalmente, assim como o U-238, por radiação alfa, e também sofre fissão espontânea por um pequeno percentual do tempo. Contudo, o U-235 é um dos poucos materiais que podem sofrer fissão induzida. Se um nêutron livre atravessar um núcleo de U-235, o núcleo absorverá o nêutron sem hesitação, se tornará instável e se dividirá imediatamente. Leia Como funciona a radiação nuclear para obter os detalhes completos.
Fissão nuclear
A animação abaixo mostra um núcleo de urânio-235 com um nêutron se aproximando a partir do topo. Assim que o núcleo captura o nêutron, ele se divide em 2 átomos mais leves e arremessa 2 ou 3 nêutrons novos (o número de nêutrons ejetados depende de como o átomo de U-235 se divide). Os 2 novos átomos então emitem radiação gama conforme se ajustam em seus novos estados. Há 3 coisas sobre esse processo de fissão induzida que o tornam especialmente interessante:
- a probabilidade de um átomo de U-235 capturar um nêutron de passagem é muito alta. Em um reator funcionando adequadamente (conhecido como estado crítico), um nêutron ejetado de cada fissão ocasiona outra fissão;
- a processo de captura do nêutron e divisão acontece muito rapidamente, na casa dos de picossegundos (1x10-12 segundos);
- uma inacreditável quantidade de energia é liberada, na forma de calor e radiação gama, quando um único átomo se divide. Os dois átomos que resultam da fissão posteriormente liberam radiação beta e radiação gama de si mesmos. A energia liberada por uma única fissão resulta do fato de que os produtos da fissão e os nêutrons, juntos, pesam menos que o átomo original de U-235. A diferença no peso é convertida diretamente em energia na taxa regulada pela equação E = mc2. Algo na ordem de 200MeV (milhões de elétron-volts) é liberado pelo decaimento de um átomo de U-235 (se você quiser converter isso em algo útil, considere que 1 eV é igual a 1,602 x 10-12 ergs;1 x 107 ergs equivalem a 1 joule; 1 joule é igual a 1 watt-segundo, e 1 BTU é igual a 1.055 joules). Isso pode não parecer muito, mas há muitos átomos de urânio em meio quilo de urânio. Tantos, na verdade, que meio quilo de urânio altamente enriquecido como o usado para fornecer energia a um submarino nuclear ou porta-aviões nuclear equivale a aproximadamente 3,8 milhões de litros de gasolina. Considerando que meio quilo de urânio ocupa menos espaço que uma bola de beisebol, e que 3,4 milhões de litros de gasolina encheriam um cubo de 15 m de cada lado (15 m é a altura de um edifício de 5 andares), você pode ter uma idéia da quantidade de energia disponível em um pequeno volume de U-235.
Dentro de uma usina de energia nuclear
Para construir um reator nuclear você precisa de um punhado de urânio levemente enriquecido. Normalmente, o urânio é formado em péletes (que tem a forma de uma pílula) com aproximadamente o mesmo diâmetro de uma moeda de 10 centavos e mais ou menos 2,5 cm de espessura. Os péletes são dispostos em hastes longas agrupadas em feixes. Os feixes são normalmente submersos em água dentro de um recipiente de pressão. A água atua como refrigerante. Para que o reator funcione, o feixe, submerso em água, deve ser levemente supercrítico. Isso significa que se deixado sozinho o urânio eventualmente superaqueceria e derreteria.
Para evitar isso, as hastes de controle feitas de material que absorve nêutrons são inseridas no feixe usando um mecanismo que pode elevar ou abaixar as hastes de controle. Elevar ou abaixar as hastes de controle permite que os operadores controlem o índice de reação nuclear. Quando um operador quer que o núcleo de urânio produza mais calor, as hastes são elevadas para fora do feixe de urânio. Para criar menos calor, as hastes são abaixadas dentro do feixe de urânio. As hastes podem ser abaixadas completamente no interior do feixe de urânio para desligar o reator no caso de um acidente ou para trocar o combustível.
