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Energia nuclear


A História não é só feita de acertos, mas muitas vezes os erros são mais importantes porque implicam em mais tentativas e descobertas de outros métodos para se chegar aos acertos. Energia Nuclear é algo que desperta sentimentos opostos e não sabemos ainda o que fazer. (...) No caso brasileiro, tem a ver com o nosso sentimento de fracassomania e ficamos aguardando pelo pior como sendo a única coisa inevitável.

Na década de 80 uma crônica de Carlos Alberto Novaes descrevia uma cena em Angra I, que ainda estava por partir comercialmente, de que um técnico estaria trabalhando e mais preocupado estava com o jogo de futebol que ouvia pelo rádio do que com sua responsabilidade profissional. Não me ocorre que tenha acontecido algum incidente por causa disto.

E quando o pior não acontece?

Em 1983, em um desenho curta-metragem das Nações Unidas chamado "If", sobre energia nuclear, a energia foi 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 mostrava que a energia nuclear não é o vilão que apareceu sobre Hiroshima e Nagasaki. A gasolina que move os automóveis pode ser a arma mais perigosa ao alcance de qualquer um se for usada em bombas incendiárias, como aconteceu no Vietnam com as bombas Napalm.

Como também aviões não são armas e foram usados como mísseis no World Trade Center e no Pentágono em 11.09.2001.

A energia nuclear tem amplas aplicações no campo da medicina, agricultura, proteção ao meio ambiente e indústria em geral. Na medicina ela propicia utilização de técnicas avançadas de diagnóstico e de tratamento de inúmeras doenças. Na agricultura, ela é utilizada na irradiação de alimentos, permitindo que os alimentos durem por mais tempo e produção de sementes. Na indústria são utilizadas técnicas de verificação da qualidade de equipamentos, esterilização de materiais médicos e cirúrgicos. Na área do meio ambiente, técnicas nucleares são utilizadas para monitorar poluentes e identificar recursos aqüíferos.

Gerando Energia

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]=>[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 . 102 cm/s, ou E = m . c2, sendo c2 o coeficiente conversor de massa em energia.

Desse modo, a perda de 1g de massa corresponderá a 1g . (3 . 102 cm/s)2 = 9 . 102 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 1g 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 (Cisão)

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 = Ba144 + Kr89 + 2 nêutrons + energia. Na FISSÃO de um grama de U235, para o exemplo citado teremos: [1g de U235 + 0,00429g dos nêutrons] produzindo: [0,58247g de Ba144+ 0,41236g de Kr89+ 0,00858g dos nêutrons + 22.000 KWh]. 0,00088g da massa original transformaram-se em 22.000 KWh. 1 g de U235 produz, por fissão, 22.000 KWh.

2) Fusão ou Reação Termonuclear

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:

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

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

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

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

0,00929g transformaram-se em 232.250 KWh.

Deutério + deutério = trítio + H

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

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.

Usinas nucleares

Os reatores de pesquisa são usados em universidades e institutos de tecnologia, enquanto que os de potência geram energia elétrica em usinas nucleares, para uso geral.

As usinas nucleares são classificadas em função do fluido que resfria o reator. Há reatores refrigerado a gás, reatores a água fervente, reatores de água leve moderado a grafite, reatores a água pressurizada, reatores a água pesada, reatores a água leve fervente, reatores regeneradores refrigerado a metal líquido, reatores regeneradores rápido refrigerado a gás e outros.

Como toda tecnologia está em desenvolvimento, tem-se buscado sistemas mais eficientes, seguros e econômicos.

O reator nuclear da atualidade é muito ineficiente no uso do urânio. Utiliza apenas cerca de 1% de seu conteúdo energético na produção de energia. Como resultado, o U235, o isótopo de urânio usado no combustível nuclear, é rapidamente gasto. Science Digest, de fevereiro de 1972, observou: "As usinas nucleares comuns estão consumindo tão rápido o urânio disponível que, por volta de 1980, provavelmente estaremos raspando o fundo."

Robert Nininger, da Comissão de Energia Atômica, expressou este ominoso conceito: "As coisas poderiam chegar a uma paralisação lenta a menos que possamos obter urânio no ultramar. Matematicamente, poderíamos ficar desprovidos por volta de 1982."

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 um 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.

Reatores nucleares não explodem como bombas nucleares, porque foram construídos com características diferentes. O nível de enriquecimento do combustível nuclear (3%) não é suficiente para isto. O que pode acontecer é uma explosão de origem térmica, causada por perda do controle da reação e deficiência dos sistemas de refrigeração do vaso do reator.

Espécie Diferente de Reator

O reator "fast breeder" (reprodução rápida) está sendo visto como a solução para a escassez de urânio por produzir mais combustível do que utiliza. O reator reprodutor pode fazer isto, daí o nome reprodutor (breeder). Na operação do reator convencional, os átomos de U235 se dividem e formam menores elementos radioativos, bem como liberam nêutrons. Mas, os átomos de U238, ao invés de se dividirem, capturam um nêutron e são transformados em plutônio físsil.

Num reator convencional, um número relativamente pequeno de U238 captura nêutrons, assim produzindo apenas um pouco de plutônio. Mas, no reator reprodutor, mais U238 se transforma em plutônio do que a quantidade de combustível físsil consumida.

Isto se deve à velocidade em que os nêutrons viajam. No reator reprodutor, ao invés de se fazer que um material de alguma espécie desacelere os nêutrons, deixa-se que viajem rapidamente. (É por isso que é chamado de reprodução rápida.) Assim, quando os nêutrons atingem e dividem quer o U235 quer o plutônio, deslocam dos átomos físseis mais nêutrons do que ocorre num reator convencional. Isto torna mais nêutrons disponíveis para serem capturados pelo abundante U238, e, daí, há um aumento líquido na produção de plutônio, que é o combustível usado nos reatores reprodutores.

Várias versões de provas já foram construídas. Também, os soviéticos e os ingleses fizeram considerável progresso na construção de reatores reprodutores de tamanho comercial. Mas, não foi senão em janeiro de 1972 que os EUA anunciaram planos para construir seu primeiro grande reator de reprodução rápida.

Alguns crêem que seria uma corrida apertada para se colocar os reatores reprodutores em operação antes de se esgotarem as reservas de urânio. Antes disto acontecer, os EUA pararam de construir usinas em 1978 e ficaram com 103 reatores.

Questão de Saúde e Segurança

Os perigos em potencial ligados ao reator reprodutor resfriaram as pesquisas em nome da segurança devido a razões políticas e técnicas.

Ao passo que o U235 é consumido, o U238 é transmudado em plutônio. Este pode ser separado quimicamente do combustível usado, e se torna uma fonte energética ainda melhor do que o U235 e com o possível acúmulo de plutônio, com o tempo, se constrói uma bomba atômica. A Índia fez justamente isto, para consternação dos canadenses que os ajudaram a construir seu reator.

Por estes motivos, alguns líderes políticos se opõem ao desenvolvimento do reator de regeneração rápida.

Técnicamente, há perigo na substância resfriadora. O sódio líquido é muito corrosivo e explosivo ao entrar em contato com a água ou o ar. Por causa das elevadas temperaturas em que opera o reator reprodutor, usa-se sódio líquido ao invés de água para resfriar o reator e transferir seu calor para a produção de vapor para gerar eletricidade.

Mas, manejar com segurança tremendos volumes de sódio circulante é apenas um dos problemas de engenharia. Descobriu-se que o metal se dilata quando exposto a prolongadas grandes dosagens de nêutrons. Visto que o núcleo do reator precisa ser construído com precisão dum relógio suíço, isto representa formidável problema.

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.

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