Este tipo de energia é obtido a partir da fissão do núcleo do átomo de urânio enriquecido, liberando uma grande quantidade de energia.
Urânio enriquecido - o que é isto? Sabemos que o átomo é constituído de um núcleo onde estão situados dois tipos de partículas: os prótons que possuem cargas positivas e os nêutrons que não possuem carga.
Em torno do núcleo, há uma região denominada eletrosfera, onde se encontram os elétrons que têm cargas negativas. Átomos do mesmo elemento químico, que possuem o mesmo número de prótons e diferentes número de nêutrons são chamados isótopos. O urânio possui dois isótopos: 235U e 238U. O 235U é o único capaz de sofrer fissão. Na natureza só é possível encontrar 0,7 % deste tipo de isótropo. Para ser usado como combustível em uma usina, é necessário enriquecer o urânio natural. Um dos métodos é “filtrar” o urânio através de membranas muito finas. O 235U é mais leve e atravessa a membrana primeiro do que o 238U. Esta operação tem que ser repetida várias vezes e é um processo muito caro e complexo. Poucos países possuem esta tecnologia para escala industrial.
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O urânio é colocado em cilindros metálicos no núcleo do reator que é constituído de um material moderador (geralmente grafite) para diminuir a velocidade dos nêutrons emitidos pelo urânio em desintegração, permitindo as reações em cadeia. O resfriamento do reator do núcleo é realizado através de líquido ou gás que circula através de tubos, pelo seu interior. Este calor retirado é transferido para uma segunda tubulação onde circula água. Por aquecimento esta água se transforma em vapor (a temperatura chega a 320oC) que vai movimentar as pás das turbinas que movimentarão o gerador, produzindo eletricidade (fig. 2). Depois este vapor é liquefeito e reconduzido para a tubulação, onde é novamente aquecido e vaporizado.
No Brasil, está funcionado a Usina Nuclear Angra 2 sendo que a produção de energia elétrica é em pequena quantidade que não dá para abastecer toda a cidade do Rio de Janeiro.
No âmbito governamental está em discussão a construção da Usina Nuclear Angra 3 por causa do déficit de energia no país.
Os Estados Unidos da América lideram a produção de energia nuclear e nos países França, Suécia, Finlândia e Bélgica 50 % da energia elétrica consumida, provém de usinas nucleares.
Fusão Nuclear
A teoria por trás da fusão nuclear é bastante simples, o difícil mesmo é conseguir gerar e domar tamanhas energias.
Nos reatores de fissão, os átomos de urânio são despedaçados, liberando grandes quantidades de energia - é a temível radioatividade. A fusão de hidrogênio, ou de suas variantes deutério e trítio,produz calor e pouquíssima radioactividade.
A fusão acontece quando dois núcleos de átomos leves se juntam para formar um terceiro mais pesado, mas cuja massa é menor do que a soma dos elementos originais. A diferença corresponde à energia liberada. No Sol, por exemplo, se fundem inimagináveis 564 milhões de toneladas de hidrogênio por segundo, dando origem a 560 milhões de toneladas de hélio, numa temperatura de 20 milhões de graus e sob uma pressão 100 bilhões de vezes maior do que a pressão atmosférica. Nessa colossal fornalha, os 4 milhões de toneladas de hidrogênio que não viraram hélio viraram energia - graças à qual o homem existe e tenta reproduzir o processo.
Para fazer isso, os cientistas pensaram construir uma espécie de forno com as mesmas características das estrelas. Normalmente, os núcleos dos átomos se repelem porque têm carga elétrica do mesmo sinal. Para que a fusão possa ocorrer, é preciso aproximar os núcleos a distâncias tão ínfimas, a tal ponto que as forças de atração superem as de repulsão. Descobriu-se que os candidatos naturais para esse casamento são os isótopos (ou variedades) de hidrogênio, como o deutério (com um próton e um nêutron no núcleo). Usando a força bruta, ou seja, aquecendo as partículas de matéria a milhões de graus e em altas densidades, os pesquisadores fazem com que tais isótopos se transformem numa mistura de elétrons livres e núcleos de átomos. É o plasma, nem líquido, nem sólido, nem gás: o quarto estado da matéria.
Nesse estado meio fantasmagórico, as partículas colidem umas com as outras em velocidades altíssimas até que, em razão dos choques, acabam por unir-se, produzindo núcleos mais pesados, algumas partículas soltas - e, o mais importante, grandes quantidades de energia. Assim, pode resultar da colisão hélio 3 (formado por dois prótons e um nêutron) mais um nêutron excedente; ou trítio ( um próton e dois nêutrons), mais um próton excedente. É raro, mas também pode acontecer que a fusão produza hélio 4 (dois prótons e dois nêutrons) e mais energia .
Em 1945, o físico húngaro naturalizado americano Edward Teller sugeriu que se usasse a bomba atômica recém-inventada como espoleta para desencadear a fusão nuclear, pois a força de sua explosão forneceria as temperaturas e pressões necessárias.
A idéia seria posta em prática alguns anos depois. No dia 1 de novembro de 1952, de fato, os americanos detonaram a primeira bomba de hidrogênio, a bomba H, numa ilha do oceano Pacífico. Provou-se assim que a fusão na Terra era possível, mas, para que ela tivesse outra finalidade que não acabar com a vida na Terra, teria de ser controlada.
No entanto, para a construção de qualquer reator que produzisse energia pela fusão de hidrogênio, as condições pareciam proibitivas: seria preciso investir inicialmente uma quantidade de energia seis vezes superior à temperatura do interior do Sol, para compensar a diferença de pressão. Em cada centímetro cúbico desse reator deveriam existir no mínimo 100 trilhões de partículas que, devido ao calor, estariam sob forte pressão. A energia contida nesse gás teria de se manter durante pelo menos um segundo. A única facilidade seria o combustível. Afinal, em cada metro cúbico de água do mar há 33 gramas de deutério, o primo pesado do hidrogênio. Mas qualquer material que entrasse em contato com o plasma, à temperatura de centenas de milhões de graus, acabaria derretido. Por isso se pensou usar como recipiente uma estranha gaiola magnética que impedisse o gás de se aproximar da parede metálica do reator.
Com as pesquisas chegaram a um aparelho formado por tubo metálico fechado na forma de uma câmara de pneu - ou toróide, em linguagem científica. À sua volta existe um enrolamento. Percorrido por uma corrente elétrica, nele surge um poderoso campo magnético que envolve o plasma como as cascas de uma cebola. Existe também outro campo magnético vertical para colocar o plasma mais corretamente. Nos aparelhos experimentais, como o que existe na Universidade de São Paulo, conseguiu-se temperaturas de até 5 milhões de graus. O recorde mundial de temperatura obtido até agora são os 200 milhões de graus do tokamak da Universidade de Princeton.
As experiências com fusão nuclear mais promissoras, além das que usam o confinamento magnético, são as que se baseiam no laser, cujo raio luminoso concentra num pequeno ponto grandes quantidades de energia. É algo extremamente sofisticado. As experiências realizadas no Laboratório Nacional Lawrence Livermore, da Califórnia, fazem parte das pesquisas ligadas ao criticado projeto Guerra nas Estrelas e são, por isso, secretas. Outros testes são feitos no Japão. Sabe-se que átomos de deutério e trítio solidificados são feitos no Japão. Sabe-se que átomos de deutério e trítio solidificados são aprisionados em incríveis esferas ocas de metal de milésimos de milímetro de diâmetro, confinadas numa câmara de vácuo. Em seguida, os átomos são submetidos a um fogo cruzado de 20 feixes de 100 trilhões de watts de laser durante 1 bilionésimo de segundo. Atingidas por todos os lados pelo bombardeio, as bolinhas se aquecem tanto que se comprimem até fundirem. Só que, como no caso dos tokamaks, não se conseguiu obter mais energia do que a aplicada no processo.
Outra tentativa original consiste em reduzir a temperatura em que a fusão ocorre, usando partículas atômicas chamadas múons, que se formam naturalmente pela ação dos raios cósmicos ou nos aceleradores de partículas dos laboratórios. Quando se bombardeia uma mistura de deutério e trítio com múons, eles tendem a substituir os elétrons em volta dos átomos. Mas, como são 207 vezes mais pesados, giram tão próximos do núcleo que fazem o átomo original literalmente encolher. Isso leva os núcleos a se aproximar tanto que podem se fundir. Então, os múons ficam novamente livres e o ciclo recomeça.
Por modestas que sejam as esperanças de chegar à fusão, estima-se que ainda vai demorar 30 anos para termos um reator comercial, e por mais caras que sejam as pesquisas, as vantagens da fusão são sedutoras:
Segundo todos os cálculos, as futuras usinas de fusão nuclear poderão extrair de 1 metro cúbico de água uma quantidade de energia igual à de 2 mil barris de petróleo.
Não produz radioatividade; portanto, sem o lixo atômico das usinas nucleares.
Não produz dióxido de carbono, como os combustíveis fósseis que envenenam o clima da Terra.
Não tem perigo de fugir do controle como as usinas de fusão, se algo der errado, simplesmente o reator para de funcionar.
Esse é o Iter (International Thermonuclear Experimental Reactor), reator considerado como protótipo dos reatores comerciais, ficará pronto no início do próximo século. Tem 30 metros de altura e de raio. A propósito, não sei se deu para ver, mas tem um homem no canto inferior direito da figura...
Usando o Átomo para produzir energia:
A energia nuclear provém da fissão
nuclear do urânio, do plutônio ou do tório
ou da fusão nuclear do hidrogênio.
Atualmente utiliza-se quase somente o
urânio. O fator básico é que da fissão de
um átomo de urânio são produzidos 10
milhões de vezes a energia produzida
pela combustão de um átomo de
carbono do carvão ou do petróleo.
Como se vê a energia nuclear é uma
forma de energia bastante concentrada.
A Energia Nuclear
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.
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.
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, Coréia do Sul e Tailândia, que dispõem de poucas alternativas energéticas, continuaram a usar a energia nuclear.
Reacções 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;
(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 conseqüências.
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.
Energia Nuclear - Vantagens e Desvantagens:
Como todos sabemos, a energia nuclear é uma das alternativas energéticas mais debatidas no mundo: comenta-se, entre outros tópicos, se valerá a pena implementar centrais de produção nuclear ou se devemos apostar noutro tipo de energias que sejam renováveis, pois como sabemos a energia nuclear não é renovável, uma vez que a sua matéria-prima são elementos químicos, como o urânio, extraídos de minerais (no caso do urânio, um dos minerais utilizados é a autonite).
Apresentamos aqui algumas vantagens e desvantagens:
Vantagens:
- não contribui para o efeito de estufa (principal);
- não polui o ar com gases de enxofre, nitrogénio, particulados, etc.;
- não utiliza grandes áreas de terreno: a central requer pequenos espaços para sua instalação;
- não depende da sazonalidade climática (nem das chuvas, nem dos ventos);
- pouco ou quase nenhum impacto sobre a biosfera;
- grande disponibilidade de combustível;
- é a fonte mais concentrada de geração de energia
- a quantidade de resíduos radioactivos gerados é extremamente pequena e compacta;
- a tecnologia do processo é bastante conhecida;
- o risco de transporte do combustível é significativamente menor quando comparado ao gás e ao óleo das termoelétricas;
- não necessita de armazenamento da energia produzida em baterias;
Desvantagens:
- necessidade de armazenar o resíduo nuclear em locais isolados e protegidos*;
- necessidade de isolar a central após o seu encerramento;
- é mais cara quando comparada às demais fontes de energia;
- os resíduos produzidos emitem radiactividade durante muitos anos;
- dificuldades no armazenamento dos resíduos, principalmente em questões de localização e segurança;
- pode interferir com ecossistemas;
- grande risco de acidente na central nuclear.
* esta desvantagem provavelmente durará pelo menos uns 30 anos, a partir de quando já se esperam desenvolvidas tecnolgias para reciclagem e reaproveitamento dos resíduos radioactivos.
Observação:
- ao contrário do que muita gente pensa, a energia nuclear não é uma energia suja;
- os impactos ambientais causados pela deposição do resíduo radioactivo não são muito maiores que os impactes do lago de uma hidroeléctrica.
