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Saiba como a energia nuclear é gerada, as componentes de um reator nuclear e as barreiras de segurança que a impedem de causar danos ao meio ambiente. Aprenda sobre o urânio-235, reação em cadeia, barras de controle, vaso de pressão e edifício do reator.
Tipologia: Notas de estudo
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Energia Nuclear
Energia Nuclear
Energia Nuclear
De um modo geral, a energia pode ser definida como capacidade de realizar trabalho ou como o resultado da realização de um trabalho. Na prática, a energia é melhor “sentida” do que definida. Quando se olha para o Sol, tem-se a sensação de que ele é dotado de muita energia, devido à luz e ao calor que emite constantemente.
Existem várias formas ou modalidades de energia: a) Energia cinética : associada ao movimento dos corpos. b) Energia potencial : armazenada num corpo material ou numa posição no espaço e que pode ser convertida em energia “sensível” a partir de uma modificação de seu estado, podendo ser citadas, por exemplo, a energia potencial gravitacional, energia química, energia de combustíveis e a energia existente nos átomos. c) Luz e Calor são duas outras modalidades de energia: energia luminosa e energia térmica , fáceis de serem “sentidas”.
Energia Nuclear
d) Outras formas de energia, como a energia magnética (ímã). Esta só pode ser percebida por meio de sua atração sobre alguns materiais, como o ferro.
Se um carro, a uma velocidade de 30 km/h, bater em um muro, vai ficar todo amassado e quase nada vai acontecer com o muro. Se um caminhão carregado, também a 30 km/h, bater no mesmo muro, vai “arrebentá-lo” e o caminhão quase nada sofrerá. Isso significa que, quanto maior a massa, maior a energia associada ao movimento.
Energia Nuclear
Quando suamos, estamos eliminando o excesso de energia recebida pelo nosso corpo (exposição ao Sol, por exemplo) ou gerado por uma taxa anormal de reações químicas dentro dele, para que sua temperatura permaneça em um valor constante de 36,5 o^ C. Esse calor é o resultado da transformação da energia química em energia térmica.
Numa Usina Hidroelétrica , converte-se em eletricidade a energia de movimento de correntes de água. O dispositivo de conversão é formado por uma turbina acoplada a um gerador. Uma turbina para geração de energia elétrica é constituída de um eixo, dotado de pás. Estas podem ser acionadas por água corrente e, então, o seu eixo entra em rotação e move a parte interna do gerador, fazendo aparecer, por um fenômeno denominado indução eletromagnética , uma corrente elétrica nos fios de sua parte externa.
Energia Nuclear
Se as pás forem movidas por passagem de vapor, obtido por aquecimento de água, como se fosse uma grande chaleira, tem-se, então, uma Usina Termelétrica. O calor pode ser gerado pela queima de óleo combustível, carvão ou gás.
O ferro é um material, ou melhor, um elemento químico bastante conhecido e fácil de ser encontrado. Se triturarmos uma barra de ferro, obteremos pedaços cada vez menores, até atingirmos um tamanho mínimo, que ainda apresentará as propriedades químicas do ferro. Essa menor estrutura, que apresenta ainda as propriedades de um elemento químico, é denominada ÁTOMO , que significa indivisível.
Energia Nuclear
Os prótons têm a tendência de se repelirem, porque têm a mesma carga (positiva). Como eles estão juntos no núcleo, comprova-se a existência de uma energia nos núcleos dos átomos com mais de uma partícula para manter essa estrutura. A energia que mantém os prótons e nêutrons juntos no núcleo é a ENERGIA NUCLEAR, isto é a energia de ligação dos nucleons (partículas do núcleo).
Uma vez constatada a existência da energia nuclear, restava descobrir como utilizá-la. A forma imaginada para liberar a energia nuclear baseou-se na possibilidade de partir-se ou dividir-se o núcleo de um átomo “pesado” , isto é, com muitos prótons e nêutrons, em dois núcleos menores, através do impacto de um nêutron. A energia que mantinha juntos esses núcleos menores, antes constituindo um só núcleo maior, seria liberada, na maior parte, em forma de calor (energia térmica).
Energia Nuclear
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. Seria como jogar uma bolinha de vidro (um nêutron) contra várias outras agrupadas (o núcleo).
Na realidade, em cada reação de fissão nuclear resultam, além dos núcleos menores, dois a três nêutrons, como conseqüência da absorção do nêutron que causou a fissão. Torna-se, então, possível que esses nêutrons atinjam outros núcleos de urânio-235, sucessivamente, liberando muito calor. Tal processo é denominado reação de fissão nuclear em cadeia ou, simplesmente, reação em cadeia.
Energia Nuclear
A quantidade de urânio-235 na natureza é muito pequena: para cada 1.000 átomos de urânio, 7 são de urânio-235 e 993 são de urânio-238 (a quantidade dos demais isótopos é desprezível). Para ser possível a ocorrência de uma reação de fissão nuclear em cadeia, é necessário haver quantidade suficiente de urânio-235, que é fissionado por nêutrons de qualquer energia, como já foi dito. Nos Reatores Nucleares do tipo PWR , é necessário haver a proporção de 32 átomos de urânio-235 para 968 átomos de urânio-238, em cada grupo de 1.000 átomos de urânio, ou seja, 3,2% de urânio-235. O urânio encontrado na natureza precisa ser tratado industrialmente, com o objetivo de elevar a proporção (ou concentração) de urânio-235 para urânio-238, de 0,7% para 3,2%. Para isso deve, primeiramente, ser purificado e convertido em gás.
O processo físico de retirada de urânio-238 do urânio natural, aumentando, em conseqüência, a concentração de urânio-235, é conhecido como Enriquecimento de Urânio. Se o grau de enriquecimento for muito alto (acima de 90%), isto é, se houver quase só urânio-235, pode ocorrer uma reação em cadeia muito rápida, de difícil controle, mesmo para uma quantidade relativamente pequena de urânio, passando a constituir-se em uma explosão: é a “bomba atômica”. Foram desenvolvidos vários processos de enriquecimento de urânio, entre eles o da Difusão Gasosa e da Ultracentrifugação (em escala industrial), o do Jato Centrífugo (em escala de demonstração industrial) e um processo a Laser (em fase de pesquisa). Por se tratarem de tecnologias sofisticadas, os países que as detêm oferecem empecilhos para que outras nações tenham acesso a elas.
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Descoberta a grande fonte de energia no núcleo dos átomos e a forma de aproveitá-la, restava saber como controlar a reação em cadeia, que normalmente não pararia, até consumir quase todo o material físsil (= que sofre fissão nuclear ), no caso o urânio-
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 tantos núcleos de urânio-235. A forma de controlar a reação em cadeia consiste na eliminação do 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 de ácido bórico ou de metal, e o cádmio , em barras metálicas, têm a propriedade de absorver nêutrons, porque seus núcleos podem conter ainda um número de nêutrons superior ao existente em seu estado natural, resultando na formação de isótopos de boro e de cádmio.
A grande aplicação do controle da reação de fissão nuclear em cadeia é nos Reatores Nucleares , para geração de energia elétrica.
Neste exemplo, quando as barras “descem” totalmente, a atividade do reator pára, porque a reação em cadeia é interrompida.
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O urânio-235, por analogia, é chamado de combustível nuclear , porque pode substituir o óleo ou o carvão, para gerar calor. Não há diferença entre a energia gerada por uma fonte convencional (hidroelétrica ou térmica) e a energia elétrica gerada por um Reator Nuclear.
Energia Nuclear
Um reator nuclear do tipo do que foi construído ( Angra 1 ) e do que está em fase de construção ( Angra 2 ) é conhecido como PWR (Pressurized Water Reactor = Reator a Água Pressurizada) , porque contém água sob alta pressão. O urânio, enriquecido a cerca de 3,2% em urânio-235, é colocado, em forma de pastilhas de 1 cm de diâmetro, dentro de tubos (“ varetas” ) de 4m de comprimento, feitos de uma liga especial de zircônio, denominada “zircalloy”.
As varetas, contendo o urânio, conhecidas como Varetas de Combustível , são montadas em feixes, numa estrutura denominada ELEMENTO COMBUSTÍVEL.
As varetas são fechadas, com o objetivo de não deixar escapar o material nelas contido (o urânio e os elementos resultantes da fissão) e podem suportar altas temperaturas. Os elementos resultantes da fissão nuclear ( produtos de fissão ou fragmentos da fissão ) são radioativos , isto é, emitem radiações e, por isso, devem ficar retidos no interior do Reator. A Vareta de Combustível é a primeira barreira que serve para impedir a saída de material radioativo para o meio ambiente.
Energia Nuclear
O Vaso de Pressão contém a água de refrigeração do núcleo do reator (os elementos combustíveis). Essa água fica circulando quente pelo Gerador de Vapor , em circuito, isto é, não sai desse Sistema, chamado de Circuito Primário. Angra 1 tem dois Geradores de Vapor; Angra 2 terá quatro. A água que circula no Circuito Primário é usada para aquecer uma outra corrente de água, que passa pelo Gerador de Vapor.
A outra corrente de água, que passa pelo Gerador de Vapor para ser aquecida e transformada em vapor, passa também pela turbina, em forma de vapor, acionando-a. É, a seguir, condensada e bombeada de volta para o Gerador de Vapor, constituindo um outro Sistema de Refrigeração, independente do primeiro. O sistema de geração de vapor é chamado de Circuito Secundário.
Energia Nuclear
A independência entre o Circuito Primário e o Circuito Secundário tem o objetivo de evitar que, danificando-se uma ou mais varetas, o material radioativo (urânio e produtos de fissão) passe para o Circuito Secundário. É interessante mencionar que a própria água do Circuito Primário é radioativa.
O Vaso de Pressão do Reator e o Gerador de Vapor são instalados em uma grande “carcaça” de aço, com 3,8 cm de espessura em Angra 1. Esse envoltório, construído para manter contidos os gases ou vapores possíveis de serem liberados durante a operação do Reator, é denominado Contenção. No caso de Angra 1, a Contenção tem a forma de um tubo (cilindro). Em Angra 2 é esférica.
A Contenção é a terceira barreira que serve para impedir a saída de material radioativo para o meio ambiente.
