Energia Nuclear

ESTRUTURA DA MATÉRIA - O Átomo

O átomo é constituído por partículas subatômicas, distribuídas numa forma semelhante à do Sistema Solar. Existe um núcleo, onde fica concentrada a massa do átomo, e minúsculas partículas que giram em seu redor, denominadas elétrons, com carga negativa e massa muito pequena. O átomo possui grandes espaços vazios, que podem ser atravessados por outras partículas.

O núcleo do átomo é constituído de partículas de carga positiva, chamadas prótons e partículas sem carga, denominadas nêutrons.

A comparação com o sistema solar, embora sirva para dar uma ideia da estrutura do átomo, destacando os “grandes espaços vazios”, não é perfeita. No sistema solar, os planetas estão quase todos num mesmo plano de translação ao redor do Sol. No átomo, os elétrons se situam em espaço tridimensional. É impossível determinar simultaneamente a posição de um elétron e sua velocidade num dado instante, sendo portanto impossível determinar sua trajetória.

A ENERGIA NUCLEAR

Os prótons têm a tendência de se repelirem, porque têm a mesma carga (positiva). A energia que mantém os prótons e nêutrons juntos no núcleo é a ENERGIA NUCLEAR, isto é a energia de ligação dos núcleons (partículas do núcleo).

Fissão Nuclear - A primeira forma obtida para utilizar a energia nuclear baseou-se na possibilidade de partir-se ou dividir-se o núcleo de um átomo “pesado” (com muitos prótons e nêutrons) em dois núcleos menores, atingindo-o com um nêutron. A energia que mantinha juntos esses núcleos menores, antes constituindo um só núcleo maior, é liberada, na maior parte, em forma de calor (energia térmica). A divisão do núcleo de um átomo pesado, por exemplo, do urânio-235, em dois menores, quando atingido por um nêutron, é denominada fissão nuclear.

Na fissão, o núcleo do U-235 parte-se de diversos modos, produzindo muitos radioisótopos (Sr-90, I-131, Cs-137,...) perigosíssimos para os seres vivos, que são liberados no ambiente por explosões de bombas atômicas ou em acidentes nucleares (até com lixo atômico).

Reação em Cadeia

Na realidade, para cada nêutron que atinge um núcleo e provoca sua fissão nuclear, resultam, além dos núcleos menores, 2 ou 3 nêutrons. Geralmente esses nêutrons atingem outros núcleos de urânio-235, sucessivamente, liberando muita energia. É uma reação em cadeia.

Urânio-235 e Urânio-238 (isótopos do elemento urânio)

O átomo U-235 possui 92 prótons e 143 nêutrons (A= 92 + 143 = 235) no núcleo. Existem na natureza, em maior quantidade, átomos de U-238, com 92 prótons e 146 nêutrons. O    U-235 pode ser fissionado por nêutrons de qualquer energia cinética, preferencialmente os de baixa energia, denominados nêutrons térmicos (“lentos”).

Apesar de não sofrer fissão, o U-238 recebe nêutron e produz plutônio (altamente radiotóxico e cancerígeno) que é muito usado para fazer outro tipo de bomba atômica (como a que destruiu Nagazaki, em 1945).

Para cada 100 g de urânio natural, 0,7 g são de U-235 e 99,3 g são de U-238 (demais isótopos são desprezíveis). Nos Reatores Nucleares do tipo PWR, é necessário haver próximo de 3,2% de U-235. Por isso, o urânio encontrado na natureza precisa ser “enriquecido” com o objetivo de elevar a proporção de U-235, de 0,7% para 3,2%. Inicia-se purificando o urânio e convertendo-o em gás.

Enriquecimento de Urânio

É o processo que retira U-238 do urânio natural, aumentando assim a concentração de U-235. Se o enriquecimento for muito alto (acima de 90% de U-235), pode ocorrer uma reação em cadeia muito rápida, descontrolada, provocando explosão: é a “bomba atômica”. Há vários processos para enriquecer urânio: Difusão Gasosa, Ultracentrifugação (em escala industrial), Jato Centrífugo  e um processo a Laser (em fase de pesquisa). São tecnologias sofisticadas e os países que as detêm não querem que os outros tenham acesso a elas.

Controle da Reação de Fissão Nuclear em Cadeia (barras de controle)

Como controlar a reação em cadeia, que não pararia, até consumir quase todo o material físsil, no caso o U-235? Como já foi visto, a fissão de cada átomo de urânio-235 resulta em 2 átomos menores e 2 a 3 nêutrons, que irão fissionar outros núcleos de urânio-235. A forma de controlar a reação em cadeia consiste em eliminar o agente causador da fissão: o nêutron. Não havendo nêutrons disponíveis, não pode haver reação de fissão em cadeia. Alguns elementos químicos, como o boro (na forma elementar ou de ácido bórico), e o cádmio (em barras metálicas), têm a propriedade de absorver nêutrons, porque seus núcleos podem conter mais nêutrons do que têm no estado natural, formando isótopos de boro e de cádmio mais pesados.

O REATOR NUCLEAR

Simplificadamente, é um equipamento onde ocorre reação de fissão nuclear. No Reator Nuclear, para gerar energia elétrica, a fonte de calor é o U-235, em vez de óleo combustível, carvão... É uma Central Térmica Nuclear (Termonuclear). Por substituir combustíveis, o U-235 é chamado de “combustível nuclear”. Não há diferença entre a energia elétrica gerada por uma fonte convencional (hidráulica ou térmica) e a gerada por um Reator de Usina Nuclear.

Reator Nuclear e Bomba Atômica

A bomba atômica é feita para explodir. Sua reação em cadeia deve ser rápida, exigindo alta concentração de U-235 (acima de 90%). Além disso, a massa usada de U-235 deve ser suficiente (acima da massa crítica) e deve juntar-se totalmente para ocorrer a reação em cadeia de forma explosiva. Um Reator Nuclear é construído de forma a impedir a explosão nuclear. Primeiro, porque a concentração de U-235 é baixa (3,2%), não permitindo que a reação em cadeia se processe com rapidez suficiente para gerar explosão nuclear. Segundo, porque dentro do Reator Nuclear existem materiais que controlam e até param a reação em cadeia (absorvendo nêutrons).

Os Reatores Nucleares existentes em Angra (1 e 2)

São do tipo PWR (Pressurized Water Reactor = Reator a Água Pressurizada), porque contêm água sob alta pressão. O urânio, enriquecido a cerca de 3,2% em U-235, é colocado, em forma de pastilhas de 1 cm de diâmetro, dentro de tubos (“varetas”) de 4m de comprimento, feitos de uma liga de zircônio, denominada “zircalloy”.  As Varetas de Combustível são montadas em feixes.

Vaso de Pressão

Os Elementos Combustíveis são colocados dentro de um grande vaso de aço, com “paredes”, de 23,5 cm, no caso de Angra 2. Esse enorme Vaso de Pressão do Reator é montado sobre uma base de concreto com cerca de 5 m de espessura. Esse vaso é a segunda barreira para impedir a saída de material radioativo para o ambiente.O Vaso de Pressão contém a água de refrigeração do núcleo do reator (elementos combustíveis). Essa água fica circulando quente pelo Gerador de Vapor, sem sair desse Circuito Primário. Angra 1 tem dois Geradores de Vapor; Angra 2, quatro. A água que circula no Circuito Primário é usada para aquecer uma outra corrente de água, que passa pelo Gerador de Vapor.

O Circuito secundário é outra corrente de água, que passa pelo Gerador de Vapor para ser aquecida e vaporizada, fazendo girar a turbina. A seguir, é condensada e bombeada de volta para o Gerador de Vapor, constituindo outro Sistema de Refrigeração, independente do primeiro. A independência entre o Circuito Primário e o Circuito Secundário foi feita para evitar que, danificando-se alguma vareta, o material radioativo (urânio e produtos de fissão) passe do 1^o para o 2^o, dificultando que escape para o ambiente.

A Contenção

O Vaso de Pressão do Reator e o Gerador de Vapor ficam dentro de uma grande “carcaça” de aço, com 3,8 cm de espessura em Angra 1. Esse envoltório, construído para reter gases ou vapores produzidos durante a operação do Reator, é denominado Contenção. Finalidade: evitar a saída de material radioativo para o ambiente.

Edifício do Reator

É o último envoltório, de concreto, revestindo a Contenção. Tem cerca de 1 m de espessura em Angra 1. É a quarta barreira para evitar que escape material radioativo. Ele também protege contra impactos externos (queda de avião, explosão...).

Texto baseado na apostila educativa do CNEN – Comissão Nacional de Energia Nuclear, disponível em: www.cnen.gov.br