Energia Nuclear (Urânio)

Energia Nuclear (Urânio)

Sabemos que o elemento urânio é encontrado na natureza na forma combinada. O isótopo mais abundante de urânio (238U) não possui um grande poder de fissão. Mas sabemos que o isótopo de urânio (235U) possui um grande poder de sofre fissão nuclear. A probabilidade deste isótopo do urânio sofrer fissão nuclear é da ordem de mil vezes maior que qualquer outro elemento. A matéria prima para a fabricação d combustível nuclear nos reatores nucleares é o UO2, este óxido é muito pobre em urânio físsil (235U), isto é que pode sofre fissão nuclear. Aproximadamente 0,7% dos átomos de urânio presente neste oxido são urânio físsil, sendo assim necessário o enriquecimento de urânio, ou seja, a separação do urânio físsil do urânio não físsil. Dentre os processos de enriquecimento de urânio apenas dois processos se destacam industrialmente, sendo a difusão gasosa e a ultracentrifugação.

O processo de difusão gasosa consiste em comprimir o hexafluoreto de urânio (UF6) através de membranas porosas, associadas em série a fim de separar o 235U do 238U. No processo de ultracetrifugação, a separação é feita através da força centrifuga.

Para as usinas, o porcentual de enriquecimento é de 3% a 5%. Para mover submarinos, por exemplo, precisa-se de Urânio enriquecido a 20%. Com 95% de concentração de U-235 produz-se uma bomba atômica.

Fissão do núcleo de urânio – 235U, gerando dois novos núcleos, dois nêutrons livres e grande quantidade de energia.

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Urânio enriquecido, Urânio-235 ou abreviadamente U-235 é o tipo de urânio no qual a composição é percentualmente enriquecida, através do processo de separação, pelo isótopo Urânio-235. O urânio encontrado na natureza sob a forma de dióxido de urânio ((UO2)), é composto de 99,284% do isótopo U-238, apenas 0,711% de sua massa é composta pelo isótopo U-235. Porém o U-235 é o único isótopo existente na natureza (em proporções significtivas) capaz de fissão por neutrãos termais.

O urânio enriquecido é um componente que se tem maior cuidado no manuseio em todos dos reatores nucleares e bombas atômicas. A Agência Internacional de Energia Atómica tenta monitorar e controlar a produção e destino do urânio enriquecido com os fins de assistir a geração de energia atômica para fins pacíficos e impedir a utilização do combustível físsil em aparatos bélicos.

Acredita-se que os estoques mundiais de U-235 altamente enriquecido estejam na casa das duas mil toneladas[1], em sua maioria para utilização em dispositivos bélicos, propulsão naval e, em menor parte, para reatores experimentais e pesquisas.

O subproduto do enriquecimento do urânio são largas parcelas de urânio empobrecido, metal pouco radioativo, 67% mais denso que o chumbo e de utilidades tão diversas como lastro em aviões, blindagens e fabricação de projéteis balísticos

Combustível nuclear

O termo combustível nuclear é comumente empregado para designar o material que pode sofrer fissão nuclear. O dióxido de urânio (UO2) é matéria-prima para fabricação do combustível nuclear nos reatores nucleares. Este óxido é muito pobre em urânio físsil (235U92), isto é que pode sofrer fissão nuclear. Apenas 0,7% dos átomos de urânio presentes nesse óxido são (235U92); os 99,3% restantes são de (238U92), não-físsil. Assim, é necessário um novo tratamento para separar o isótopo físsil do isótopo não-físsil. Este tratamento é conhecido como enriquecimento do urânio.

Um dos processos para realizá-lo consiste em transformar o dióxido de urânio no gás hexafluoreto de urânio (UF6) e fazer este gás difundir-se por placas porosas. Com isso, consegue-se separar o (235UF6) do (238UF6).

Em seguida, o gás hexafluoreto de urânio enriquecido volta a ser convertido em dióxido de urânio. Este óxido é o que constituirá finalmente o combustível nuclear.

Combustível nuclear - é qualquer material consumido para obter a energia nuclear. Utilizado por usinas nucleares, possui uso questionável devido aos problemas que pode causar caso ocorra acidentes (radioatividade).

Perigos

Basicamente o grande perigo de combustíveis nucleares jaz em um possível dano à Natureza pela radioatividade por eles liberada. Tal radioatividade tende a causar danos diretamente nas células dos seres vivos, causando cânceres e mutações gênicas. E, uma questão ainda não resolvida, é a destinação final segura do lixo nuclear.

Combustíveis utilizados

Normalmente o Urânio e o Plutônio são utilizados como combustíveis nucleares em usinas atômicas. Neste caso é usado a fissão nuclear de pastilhas destas substâncias que aquecem tanques contendo água. O vapor gerado movimenta turbinas que, ligadas a geradores, produzem energia na forma elétrica (eletricidade). Os combustíveis nucleares, por originarem energia através da fissão nuclear, são extremamente eficientes, torando-os preferíveis ao uso de carvão e outras substâncias na produção de energia elétrica

Um reator nuclear (AO 1945: reactor nuclear) é uma câmara de resfriamento hermética, blindada contra a radiação, onde é controlada uma reação nuclear para a obtenção de energia, produção de materiais fissionáveis como o plutônio para armamentos nucleares, propulsão de submarinos e satélites artificiais ou para pesquisas.

Uma central nuclear pode conter vários reatores. Atualmente apenas os reatores nucleares de fissão são empregados para a produção de energia comercial, porém os reatores nucleares de fusão estão sendo empregados em fase experimental.

De uma forma simples, as primeiras versões de reator nuclear produzem calor dividindo átomos, diferentemente das estações de energia convencionais, que produzem calor queimando combustível. O calor produzido serve para ferver água, que irá fazer funcionar turbinas a vapor para gerar electricidade.

Um reator produz grandes quantidades de calor e intensas correntes de radiação neutrónica e gama. Ambas são mortais para todas as formas de vida mesmo em quantidades pequenas, causando doenças, leucemia e, por fim, a morte. O reactor deve estar rodeado de um espesso escudo de cimento e aço, para evitar fugas prejudiciais de radiação. As matérias radioactivas são manejadas por controle remoto e armazenadas em contentores de chumbo, um excelente escudo contra a radiação

Reator nuclear de fissão

Varetas de controlo no núcleo, de materiais absorventes de nêutrons, permitem regular o ritmo da cisão. Estas serão metidas ou retiradas consoante a necessidade de estabilização.

Num reactor nuclear de fissão utiliza-se o urânio natural, na maior parte dos casos - uma mistura de U-238 e de U-235 - por vezes enriquecido com extra U-235. O U-238 tem tendência para absorver os neutrões de alta velocidade originados pela divisão dos átomos U-235, mas não absorve nêutrons lentos tão rapidamente. Assim, num reactor é incluída uma substância moderadora que, juntamente com o urânio, abranda os nêutrons. O U-238, por sua vez, já não os absorve tão facilmente e a cisão continua.

Um reator nuclear de fissão apresenta, essencialmente, as seguintes partes:

  1. Combustível: Isótopo fissionável e/ou fértil (aquele que pode ser convertido em fissionável por ativação neutrônica): Urânio-235, Urânio-238, Plutônio-239, Tório-232, ou misturas destes (o combustível típico atualmente é o MOX, mistura de óxidos de urânio e plutônio).

  2. Moderador: Água, água pesada, hélio, grafite, sódio metálico: Cumprem a função de reduzir a velocidade dos neutrões produzidos na fissão, para que possam atingir outros átomos fissionáveis mantendo a reação.

  3. Refrigerador: Água, água pesada, dióxido de carbono, hélio, sódio metálico: Conduzem o calor produzido durante o processo até a turbina geradora de eletricidade ou ao propulsor.

  4. Refletor: Água, água pesada, grafite, urânio: Reduz o escapamento de nêutrons aumentando a eficiência do reator.

  5. Blindagem: Concreto, chumbo, aço, água: Evita o escapamento de radiação gama e nêutrons rápidos.

  6. Material de controlo: Cádmio ou Boro: Finalizam a reação em cadeia, pois são óptimos absorventes de nêutrons. Geralmente são usados na forma de barras (de aço borado, por exemplo) ou bem dissolvido no refrigerador.

  7. Elementos de Segurança: Todas as centrais nucleares de fissão apresentam múltiplos sistemas de segurança. Os ativos que respondem a sinais elétricos e os passivos que atuam de forma natural como a gravidade, por exemplo. A contenção de betão que rodeia os reactores é o principal sistema de segurança, evitando que ocorra vazamento de radiação ao exterior.

O núcleo do reactor é construído dentro de um forte recipiente de aço que contém varetas de combustível feitas de materiais cindíveis (fissionáveis) metidos dentro de tubos. Estas varetas produzem calor enquanto o combustível sofre a cisão. Varetas de controlo, geralmente de boro ou cádmio - para absorver facilmente os nêutrons -, são introduzidas e retiradas do núcleo (conforme a necessidade de estabilizar a reacção), variando a corrente de neutrões no núcleo, controlando o ritmo de cisão e, portanto, o calor produzido. As varetas estão rodeadas por um moderador, que reduz a velocidade a que os nêutrons são produzidos pelo combustível. Percorrendo o núcleo corre um refrigerante, líquido ou gasoso, que, ao ser aquecido pelo calor libertado, gera vapor de água que será canalizado para turbinas.

Tipos de reatores de fissão

WWER-1000 (Water-Water Energetic Reactor, força elétrica de 1000 megawatt) é um reactor russo de energia nuclear do tipo PWR

Atualmente existem vários tipos de reatores nucleares de fissão:

LWR - Light Water Reactors: Utilizam como refrigerante e moderador a água e como combustível o urânio enriquecido. Os mais utilizados são os BWR (Boiling Water Reactor ou Reator de água em ebulição ) e os PWR (Pressure Water Reactor ou Reatores de água a pressão), estes últimos considerados atualmente como padrão. Em 2001 existiam 345 em funcionamento.

CANDU - Canada Deuterium Uranium: Utilizam como moderador água pesada (cuja molécula é composta por dois átomos de deutério e um átomo de oxigênio) e como refrigerante água comum. Como combustível usam urânio comum. Existiam 34 em operação em 2001.

FBR - Fast Breeder Reactors: Utilizam nêutrons rápidos no lugar de térmicos para o processo da fissão. Como combustível utilizam plutônio e como refrigerante sódio líquido. Este reator não necessita de moderador. Apenas 4 em operação em 2001.

HTGR - High Temperature Gás-cooled Reactor: Usa uma mistura de tório e urânio como combustível. Como refrigerante utiliza o hélio e como moderador grafite. Existiam 34 em funcionamento em 2001.

RBMK - Reactor Bolshoy Moshchnosty Kanalny: Sua principal função é a produção de plutônio, e como subproduto gera eletricidade. Utiliza grafite como moderador , água como refrigerante e urânio enriquecido como combustível. Pode recarregar-se durante o funcionamento. Apresenta um coeficiente de reatividade positivo. Existiam 14 em funcionamento em 2001.

ADS - Accelerator Driven System: Utiliza uma massa subcrítica de tório. A fissão é produzida pela introdução de nêutrons no reator de partículas através de um acelerador de partículas. Ainda se encontra em fase de experimentação, e uma de suas funções fundamentais será a eliminação de resíduos nucleares produzidos em outros reatores de fissão.

Produção de combustível

Alguns tipos de reatores podem efetivamente produzir mais combustível que aquele que consomem. Trata-se do reactor rápido. Não tem moderador e o seu combustível é altamente enriquecido: urânio ou plutônio. O núcleo é pequeno e a reação em cadeia processa-se rapidamente, produzindo maiores quantidades de calor do que nos outros reatores «termais». São produzidas grandes quantidades de nêutrons, imediatamente absorvidos por um cobertor de urânio 238 colocado em redor do núcleo. Isto não causa cisão no urânio, mas o converte em plutônio 239, que pode depois ser separado e utilizado como combustível no reator rápido. Desta maneira, o reactor rápido produz combustível à medida que o consome. Convertendo urânio 238 não cindível (fissionável) num combustível útil, o reator rápido poderia prolongar as reservas de combustível nuclear do mundo em cerca de sessenta vezes.

Reator nuclear de fusão

Instalação destinada para a produção de energia através da fusão nuclear. A pesquisa neste campo existe há mais de 50 anos e já, há vários anos, tem sido possível produzir uma reação de fusão nuclear controlada num vaso de contenção. Não se tem conseguido ainda, entretanto, manter uma reação de fusão controlada até atingir o ponto de "breakeven" (ou seja uma situação na qual a quantidade de energia fornecida para iniciar e manter a reação seja igual ou menor que a quantidade de energia libertada pela reação assim produzida). o processo é caracterizado por grande libertação de energia.

Reações de fusão nuclear juntam dois núcleos atômicos para formar um. Inicialmente, isso requer uma quantidade muito elevada de energia para vencer a repulsão eletromagnética inerente entre estes núcleos. A diferença em massa entre os dois núcleos iniciais e aquele resultante da reação (ligeiramente mais leve que a soma dos dois precursores) é convertida em uma enorme quantidade de energia conforme previsto pelo Einstein, na sua equação E=mc².

Uma vez que os núcleos de elementos mais leves sofrem fusão mais facilmente do que os de elementos mais pesados, o hidrogênio, o elemento mais leve, e também o mais abundante do universo, é o melhor combustível para fusão. De fato, uma mistura de dois dos isótopos de hidrogênio, o deutério e o trítio (D-T), apresenta a razão mais baixa entre a energia necessária para provocar a reação de fusão e a energia (potencialmente muito maior) liberada por esta reação; como prova disso, surgiram os estudos e adaptações da a primeira bomba de hidrogénio. Por esta razão, a maior parte dos esforços atuais para desenvolver um reator de fusão de "primeira geração" concentra-se na utilização do D-T como combustível.

Deve-se ressaltar, entretanto, que misturas alternativas existem que, apesar de exigirem um fornecimento de energia inicial maior, seriam mais simples de produzir e/ou controlar e há até combustíveis candidatos que não emitiriam nêutrons ao sofrer a reação de fusão, os chamados combustíveis aneutrônicos.

Basicamente, então, uma das maiores dificuldades é a obtenção de uma enorme pressão e temperatura que o processo requer, as quais são encontradas, na natureza, somente no interior de uma estrela. Outro problema é que a utilização de muitos dos possíveis combustíveis (inclusive o D-T) resulta na emissão de nêutrons pelo plasma durante fusão, os quais bombardeiam os componentes internos do reator, tornado-os radioativos. Para se conseguir a fusão é necessária mais do que uma alta temperatura: tem de existir plasma suficiente para que os núcleos se encontrem e se fundam, e a temperatura elevada tem de ser produzida por tempo suficiente para que isso aconteça. Porém, a combinação certa de todos estes factores mostra-se, até agora, impossível de alcançar.

Ao longo dos últimos anos, vários grupos de engenheiros e cientistas têm se dedicado ao desenvolvimento de novas ligas metálicas, cujas composições químicas são criteriosamente especificados para somente incluir elementos que formarão isótopos de meia-vida curta, sob este bombardeamento num reator (materiais de baixa ativação). Desta forma pretende-se tornar factível projetar componentes com materias que permitirão reciclagem após somente algumas dezenas de anos de estocagem segura (ao contrário dos resíduos radioativos de reatores de fissão, por exemplo, cujas meias-vidas longas exigem sistemas complexos de proteção para períodos muito longos).

Alguns pesquisadores já chegaram a caracterizar vários dos aspectos mais críticos na aplicação prática, em serviço real, de tais matérias como, por exemplo, conformabilidade, soldabilidade e resistência à fluência conforme apresentado no livro "Investigations of the Formability, Weldability and Creep Resistance of Some Potential Low-activation Austenitic Stainless Steels for Fusion Reactor Applications (ISBN 0853111480): A.H. Bott, G.J. Butterworth, F. B. Pickering".

Núcleo de um pequeno reator nuclear utilizado para pesquisas

Atualmente existem duas linhas de investigação, o confinamento inercial e o confinamento magnético:

Confinamento inercial: Consiste em conter a fusão mediante o impulso de partículas ou de raios laser projetados contra as partículas do combustível, que provocam sua ignição instantânea.

Confinamento magnético: Consiste em manter o material que irá fundir num campo magnético enquanto se tenta alcançar a temperatura e pressão necessárias. Uma forte corrente eléctrica passa através do hidrogénio para o aquecer e formar um plasma, enquanto um campo magnético comprime o plasma e o impede de tocar nas paredes. Mesmo que toque no recipiente, não existe perigo, já que só são aquecidas quantidades muito pequenas de hidrogénio; as paredes arrefecem simplesmente o plasma mais do que o plasma aquece as paredes.

Os primeiros modelos magnéticos, americanos, conhecidos como Stellarator geravam o campo diretamente num reator toroidal, com o problema da infiltração do plasma entre as linhas do campo.

Os engenheiros russos melhoram este modelo para o Tokamak na qual um enrolamento de bobina primária induzia um campo sobre o plasma, que é condutor, utilizando-o como um enrolamento secundário. Porém, devido a sua resistência, o plasma sofria aquecimento.

Embora o maior (2004) reator deste tipo, o JET [1] ainda não tenha atingido a temperatura (1 milhão de graus) e a pressão necessárias para a manutenção da reação, em 1997 este reator experimental, de facto, atingiu um pico de potência de fusão de 16MWs, ainda um recorde mundial (2004). A mesma experiência alcançou um valor de Q=0,7 . (Q é a razão entre a energia gerada por esta reação e a potência fornecida para manter a fusão. Uma reação auto-sustentável requer Q>1).

Um reator Tokamak ainda maior, o ITER, está a ser projetado, unindo esforços internacionais para a obtenção da fusão.

Também existe uma linha de pesquisa nos EUA, o NIF (National Ignition Facility), que busca através de um confinamento inercial gerado por 192 lasers de alta potência obter uma fusão nuclear com Q>1.

Resíduo radioativo - é formado por resíduos com elementos químicosradioativos que não têm ou deixaram de ter utilidade.

É usualmente o produto resultante de um processo de fissão nuclear, do material utilizado como combustível nos reatores, do uso armas nucleares ou ainda de laboratórios médicos ou de pesquisas.

A destinação do resíduo radiativo é um dos problemas mais sérios resultantes do uso da energia nuclear, podendo ainda ser oriundo de outros usos, tais como o resíduos hospitalar.

A radioatividade deste material diminui com o tempo. Todo radioisótopo tem uma meia-vida, ou seja, o tempo necessário para perder metade (½) de sua radioatividade. Eventualmente todo resíduo radioativo decai para um elemento não-radioativo. Por exemplo: passados 40 anos, a maioria dos resíduos de combustível nuclear perde 99,9% de radiação

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