Energia Nuclear

Conceitos Básicos de Energia Nuclear

Em 1983 assisti um desenho curta-metragem das Nações Unidas chamado "If", sobre energia nuclear. Nele, a energia é comparada a um gênio que, esfregando a garrafa, saía dela e oferecia a satisfação de três desejos. A sabedoria em escolher os seus desejos poderia lhe trazer felicidade e saúde duradouras.

O desenho também queria mostrar que a energia nuclear não é o vilão que apareceu sobre Hiroshima e Nagasaki. A gasolina que move nossos automóveis pode ser a arma mais perigosa ao alcance de qualquer um se a usarmos em bombas incendiárias, como aconteceu no Vietnam com as bombas Napalm.

Portanto, o que pedirmos ao gênio da garrafa pode significar nosso bem ou nosso mal.

Até a década de 30 a energia térmica era obtida somente por combustão clássica, ou seja, uma reação química do tipo:

[combustível + O2] gerando [produtos de combustão + energia]

O mesmo que,

[1 g de C + 2,66667 g de O2] = [3,66667 g de CO2 + 0,00930 KWh]

A matéria ou sua energia não pode ser criada ou destruída, mas apenas transformada. Isto já havia sido expresso na Lei de Lavoisier, de Conservação da Massa.

A partir dos experimentos realizados com elementos emissores de partículas, este conceito foi ampliado para a Lei de Conservação da Energia, onde a energia não pode ser criada ou destruída, mas apenas transformada ou num sistema isolado, permanecendo constante a soma das energias.

Interconversão entre Massa e Energia

Lavoisier~Einstein

Com o desenvolvimento do conhecimento da estrutura atômica verificou-se que o núcleo do átomo pode perder massa e que numa reação nuclear, havendo perda de massa, essa perda de massa se transformará em energia.

Einstein definiu a interconversão entre massa e energia em uma equação, relacionando as variações de massa e energia:

Energia produzida (E) = perda de massa (m).c2, sendo c a velocidade da luz no vácuo = 3. 1010 cm/s, ou E = m.c2, sendo c2 o coeficiente conversor de massa em energia.

Desse modo, a perda de 1 g de massa corresponderá a 1 g.(3.1010 cm/s)2 = 9.1020 ergs ou 25.000.000 KWh.

Depois da constatação da interconversão entre massa e energia, as Leis de Conservação de Massa e Conservação de Energia passaram a constituir uma só Lei.

A matéria (medida pela sua massa) e a energia não podem ser criadas ou destruídas, mas apenas transformadas ou interconvertidas; ou num sistema isolado, a soma das massas (aplicado o coeficiente conversor c2)e das energias, permanece constante.

(Soma das massas).c2 + soma das energias = constante

Mesmo na COMBUSTÃO há interconversão de massa em energia, porém a energia produzida é pequena e a perda de massa, insignificante. Na combustão de 1 g de C a perda de massa seria de 0,000.000.000.372 g.

REAÇÃO NUCLEAR

Em 1938, na Alemanha, Otto Hahn e Strassmann, acabaram por fissionar o urânio.

Frisch e Lise Meitner interpretaram as experiências de Hahn afirmando que, se um núcleo pesado sofre fissão, obtêm-se átomos de massa mediana e enorme quantidade de energia.

Com isto, outros cientistas executaram experimentos e constataram a "quebra" do núcleo do urânio através de nêutrons.

Nessa quebra, vários produtos de fissão são possíveis, ou seja, temos diversas reações nucleares ocorrendo simultaneamente.

Em qualquer quebra são liberados nêutrons (2 ou 3), que como desencadeantes da fissão provocam novas cisões nucleares (reação em cadeia).

A reação nuclear pode ser de dois tipos:

1) Fissão

O núcleo de um elemento químico pesado (urânio, plutônio ou tório) bombardeado por um nêutron divide-se em duas partes maiores e alguns nêutrons, sofrendo uma cisão denominada FISSÃO e a soma das massas resultantes tem massa inferior à soma das massas do núcleo bombardeado e do nêutron. 


Exemplo:

U235 + nêutron = Ba137 + Kr97 + 2 nêutrons + energia

Na FISSÃO de um grama de U235, para o exemplo citado teremos:

[1 g de U235 + 0,00429 g dos nêutrons] produzindo:
[0,58247 g de Ba137 + 0,41236 g de Kr97+ 0,00858 g dos nêutrons + 22.000 KWh]

0,00088 g da massa original transformaram-se em 22.000 KWh.

1 g de U235 produz, por fissão, 22.000 KWh.

2) Fusão

O núcleo de um elemento químico leve [isótopos do H2 (deutério e trítio)] recebe um nêutron ou dois núcleos de elementos leves [isótopos do H2 (deutério e trítio), He e Li], que se fundem, produzindo, em ambos os casos, um elemento químico mais pesado, mas as partes resultantes da fusão têm massa inferior à soma dos elementos iniciais.

H2 + nêutron = deutério, e para a FUSÃO de 1 g de H2 teremos:

[1 g de H2 + 1,00086 g de nêutrons], produzindo: [1,99851 g de deutério + 58.750 KWh]

0,00235 g da massa original transformaram-se em 58.750 KWh.

Deutério + trítio = He + nêutron, e para a fusão de 1 g de deutério teremos: [1 g de deutério + 1,49752 g de trítio], produzindo:

[1,98739 g de He + 0,50084 g de nêutrons + 232.250 KWh]

0,00929 g transformaram-se em 232.250 KWh.

Deutério + deutério = trítio + H

1 g de deutério produz 346 bilhões de joules, ou 96.084 KWh, e pelos deutérios que contém 1 litro de água poderá produzir, por fusão, 2.372 KWh, o que corresponde à energia produzida por 260 litros de gasolina de aviação.

REATORES NUCLEARES DE FISSÃO

COMBUSTÍVEIS NUCLEARES

Os combustíveis nucleares de fissão são sempre elementos pesados:
  
Urânio 238 [o urânio (U) natural é uma mistura dos isótopos U234 + U235 + U238, respectivamente nas seguintes porcentagens: 0,0056%, 0,7205% e 99,2739%]

Tório (Th) 232

Plutônio 239 [Pu240, Pu241 e Pu242]

Temos dois tipos de combustível nuclear: Físsil e Fértil.

Físsil é aquele com o qual é possível obter-se uma reação de fissão em cadeia auto-sustentável, isto é, uma vez iniciada é capaz de manter-se sem necessidade de agente externo e vem a ser o combustível nuclear principal.

Fértil é o combustível nuclear que pode transformar-se em Físsil. A transformação do combustível Fértil em Físsil é denominada Regeneradora (Breeder); quando um reator nuclear produz mais combustível Físsil do que o Fértil que consome é denominado Reator Regenerador (Breeder Reactor), ou Superconversor. O U235 é combustível Físsil, bem como o Pu239 e Pu241. O U238, o Th232, o Pu240 e o Pu242 são combustíveis do tipo Fértil e necessitam de combustível Físsil para transformá-los também no tipo Físsil.

Classificação das Usinas Nucleares 

As usinas nucleares são classificadas em função do fluido que resfria o reator. Outra classificação separa os reatores em dois grupos. Os reatores de pesquisa e os reatores de potência. 


Os reatores de pesquisa são usados em Universidades e Institutos de Tecnologia, enquanto que os de potência geram energia elétrica, para uso geral.

Advanced Gas-cooled Reactor AGR
Boilling Water Reactor BWR
Light-water Grafited Moderator Reactor LGR
Gas Cooled Reactor GCR
Pressurized Water Reactor PWR
Pressurized Heavy Water Moderated Reactor PHWR
Light Water Boilling Reactor LWBR
Liquid Metal-cooled Fast Breeder Reactor LMFBR
Gas Cooled Fast Breeder Reactor GCFBR
High Thorium Gas Reactor HTGR

Elementos Fundamentais
 
O reator é comparável a uma fornalha onde utilizamos o combustível nuclear para a produção do calor que vai aquecer na caldeira a água, gerando vapor para a turbina, e esta turbina, por sua vez, moverá o gerador que produz a energia elétrica. O conjunto é uma máquina térmica com a fornalha substituída pelo reator nuclear. O combustível produz o calor pela fissão e necessita de:
Elemento combustível, onde estão dispostas as varetas com as pastilhas em seu interior.

Refrigerante, que é o veículo pelo qual o calor é retirado do reator de modo a aquecer a água e transformá-la no vapor, que acionará a turbina.

 

Moderador, serve para diminuir a velocidade dos nêutrons que intervêm na reação nuclear, tornando-os lentos a fim de aumentar a probabilidade de ocorrência de fissão. A moderação pode ser feita pela injeção de boro no circuito primário ou pelo uso de barras de controle.

Um reator regenerador pode utilizar o subproduto acumulado das atuais instalações de enriquecimento de urânio e, por outro lado, poderá usar o plutônio, hoje, produzido pelos reatores LWR (reator de água leve) ou o tório, de baixo custo.

REATORES DE FUSÃO

Olhando mais longe ainda, há os REATORES DE FUSÃO, cujo combustível será formado por isótopos pesados do H2, com reações similares à das estrelas e do Sol.

Se for conseguido o aproveitamento da reação de uma bomba de hidrogênio para gerar energia por FUSÃO, o problema dos rejeitos radioativos (lixo atômico) dos reatores nucleares, que permanece, por muitos anos, radioativos, deixará de existir porque o produto final do PROCESSO DE FUSÃO será o inócuo gás He. Por outro lado, será minimizado o problema de perda de calor em virtude da alta eficiência térmica prevista (40% a 60%, contra 39% dos HTGR).

O reator de fusão pretende basear-se na reação deutério-trítio (dois isótopos pesados do H2) que é a mais fácil. Poderá haver também a reação deutério-deutério ou deutério-isótopos do He. O trítio é obtido com o uso do Li6.

São duas as dificuldades até agora encontradas:

1) As temperaturas são superaltas, da ordem de centenas de milhões de graus centígrados e todos os átomos se desintegram formando plasma.

A primeira dificuldade é obter essas temperaturas superaltas para ignição. Na bomba de hidrogênio usa-se uma pequena bomba de fissão para a ignição inicial.

São bombas limpas, sem resíduo radioativo, a não ser da pequena bomba de fissão usada para ignição. Pensa-se, agora, usar o Raio Laser para a produção da necessária temperatura de ignição.

Essas pesquisas foram realizadas em Michigan e tiveram os primeiros resultados positivos.

2) A segunda dificuldade é encapsular o plasma para a produção de energia. Não há metal conhecido ou liga metálica fabricada pelo homem que suporte temperaturas desta ordem.

Tem havido pesquisas, há muito tempo nos Estados Unidos, Rússia e Inglaterra e todas com grandes dificuldades e problemas até que em 1958 estes países resolveram abrir suas pesquisas e cooperar na solução do problema comum.

Os soviéticos anunciaram, em 1969, o Projeto Tokamak, no qual depositaram grandes esperanças. O Tokamak (Câmara Magnética Toroidal) é um potente eletroimã que através do seu campo magnético mantem a reação de fusão, sob a forma de plasma, contida em seu interior, com o plasma sem tocar o material das paredes.

O custo previsto, em 1990, era de 0,25 centavo de dólar/KWh que também seria o custo de energia produzida, nessa época, pelos reatores regeneradores.

Hoje os reatores a água leve produzem energia a 0,95 centavo de dólar/KWh.

Na opinião dos técnicos o REATOR DE FUSÃO será a solução a longo prazo para os problemas de eliminação da poluição atômica e térmica, para obtenção de combustível mais barato e energia a baixo preço. As reservas de deutério, nas águas do mar, são suficientes para satisfazer as necessidades energéticas do mundo, por bilhões de anos.