REVISTA CULTURA E CIDADANIA: Artigos: Energia Nuclear

Energia nuclear se refere a energia consumida ou produzida com a modificação da composição de núcleos atômicos. Além de ser a força que arma a Bomba Atômica, a Bomba de Hidrogênio e outras armas nucleares, a energia nuclear também tem utilidade na geração de eletricidade em usinas de vários países do mundo. É vista por muitos como fonte de energia barata e limpa; mas por causa do perigo da radiação emitida na produção desta energia e da radioatividade dos materiais utilizados, outros sentem que ela pode não ser uma energia alternativa viável para o uso de combustível fóssil ou energia solar. Este tipo de energia também é utilizado na medicina, na produção de marca-passos para doentes cardíacos.

A "revolução" de Einstein torna popular a fórmula física E=mc² (energia é igual a massa vezes o quadrado da velocidade da luz). A equivalência entre massa e energia (uma pequena quantidade de massa pode ser transformada em uma grande quantidade de energia) permite explicar a combustão das estrelas e dar ao homem maior conhecimento sobre a matéria. É a expressão teórica das enormes reservas de energia armazenadas no átomo na qual se baseiam os artefatos nucleares, que serão estudadas neste trabalho.



Ameaça Nuclear - Atualmente existem mais de quatrocentas usinas nucleares em operação no mundo - a maioria no Reino Unido, EUA, França e Leste europeu. Vazamentos ou explosões nos reatores por falhas em seus sistemas de segurança provocam graves acidentes nucleares. O primeiro deles, na usina russa de Tcheliabínski, em setembro de 1957, contamina cerca de 270 mil pessoas. O mais grave, em Chernobyl, na Ucrânia, em 1986, deixa mais de trinta mortos, centenas de feridos e forma uma nuvem radiativa que se espalha por toda a Europa. O número de pessoas contaminadas é incalculável. No Brasil, um vazamento na Usina de Angra I, no Rio de Janeiro, contamina dois técnicos. Mas o pior acidente com substâncias radiativas registrado no país ocorre em Goiânia, em 1987: o Instituto Goiano de Radioterapia abandona uma cápsula com isótopo de césio-137, usada em equipamento radiológico. Encontrada e aberta por sucateiros, em pouco tempo provoca a morte de quatro pessoas e a contaminação de duzentas. Submarinos nucleares afundados durante a Guerra Mundial também constituem grave ameaça. O mar Béltico é uma das regiões do planeta que mais concentram esse tipo de sucata.



Este artigo discute a ciência envolvida na produção da energia nuclear, e a utilização desta ciência pelas indústrias que produzem energia elétrica. Fala também sobre combustível nuclear, fissão e fusão (entre outras coisas mais).

DEFINIÇÕES CIENTÍFICAS BÁSICAS

Os processos que mudam o estado ou composição da matéria são inevitavelmente acompanhados pelo consumo ou produção de energia. Processos comuns como a combustão produzem energia pelo rearranjo químico dos átomos ou moléculas. Por exemplo, a combustão do metano (gás natural) é representado pela seguinte reação:

CH(4) + 2 O(2) = CO(2) + ENERGIA

Neste exemplo, a energia produzida é de 8 electron volts (eV). O electron volt é uma unidade de energia utilizada por físicos nucleares e representa o ganho de energia quinética quando um elétron é acelerado pela queda do potencial em um volt.

A mais conhecida reação nuclear é a fissão, na qual um núcleo pesado se combina com um nêutron e se separa em dois outros, de núcleos mais leves. Uma típica reação de fissão envolvendo o urânio-235 é:

92 U235 + 1 NÊUTRON = 38 Sr96 + 54 XE138 + 2 NÊUTRONS + ENERGIA

onde a energia liberada é de aproximadamente 200 milhões de electron volts (eV), um fator de 25 milhões de vezes superior ao da reação da combustão do metano.

Outra importante reação nuclear é a fusão, na qual dois elementos leves se combinam para formar um átomo mais pesado. Uma importante reação é:

1H(2) + 1 H(3) = 2 He(4) + 1 NÊUTRON + ENERGIA

onde a energia liberada pela reação é de 18 milhões de eV.
A fusão nuclear é um processo de produção de energia a partir do núcleo de um átomo. Este fenômeno ocorre naturalmente no interior do Sol e das estrelas. Núcleos leves como o do hidrogênio e seus isótopos, o deutério e o trítio, se fundem e criam elementos de um núcleo mais pesado, como o hélio.

Usinas (elétricas) nucleares aproveitam a enorme energia liberada por reações nucleares para a produção de energia em alta escala. Em uma moderna usina de carvão, a combustão de uma libra (453,59g) de carvão produz 1 quilowatt hora (Kwh) de energia elétrica. A fissão de uma libra de urânio em uma moderna usina nuclear produz cerca de 3 milhões de Kwh de energia elétrica. É a incrível densidade da energia (energia por unidade de massa) que faz das fontes de energia nuclear tão interessantes. No presente, apenas o processo de fissão é utilizado na produção comercial de energia (geralmente para produzir eletricidade). As pesquisas sobre a fusão ainda não produziram uma tecnologia de produção de energia factível (praticável) .

DESENVOLVIMENTO DA TECNOLOGIA DA FISSÃO

A descoberta do processo da fissão ocorreu no fim da década de 30, como resultado de uma longa seqüência de estudos de físicos nucleares. Os cientistas alemães Otto Hahn e Fritz Strassmann relataram um experimento envolvendo a irradiação de nêutron do urânio no início de 1939. Subseqüentemente, Otto Frisch e Lise Meitner interpretaram o experimento como a fissão do urânio em elementos mais leves. A possibilidade de uma auto-sustentação da reação em cadeia era aparente, e provocou um ímpeto adicional para acelerar as pesquisas.
Pesquisas do governo secreto para aplicações militares da fissão nuclear começaram com a 2a Guerra Mundial. O desenvolvimento de uma arma requeriu que uma que a auto-sustentação da reação de fissão fosse criado e, futuramente, que uma quantidade adequada de material fissionável fosse produzido para ser utilizado na confecção de uma arma. Em 2 de Dezembro de 1942, na Universidade de Chicago, um grupo dirigido por Enrico Fermi criou (com sucesso) o primeiro reator do mundo a chegar ao estado de auto-sustentação, ou "crítico". O reator era abastecido com urânio natural embebido em blocos de grafite. A fissão ocorreu no isótopo do urânio, U-235.
O urânio natural contém apenas 0.7% de U-235, enquanto o restante dos 99.3% do urânio é U-238, que não se fissiona exceto com nêutrons altamente energizados, indisponíveis para o processo de fissão. Na produção de uma bomba, era necessário providenciar concentrações muito maiores de U-235, ou "urânio enriquecido", e ultimamente, uma forma de difusão gasosa para ser usada na separação de U-235 e U-238. Ultimamente, a solução foi encontrada em uma forma de difusão gasosa que era utilizada na separação dos dois materiais. Uma maneira alternativa de se obter materiais para armas é usar um núcleo fissionável diferente. Desta maneira, um material é o isótopo sintético do Plutônio, Pu-239, formado quando o U-238 reage com nêutrons para produzir U-239. O U-239 é radioativo e decai em dois passos para produzir Pu-239. Na produção do plutônio, um grande reator é necessário para irradiar o U-238.

Uma vez que Fermi demonstrou que um reator crítico era exeqüível, um esforço maior era necessário na construção de reatores para produzir plutônio. O primeiro destes reatores, em Oak Ridge (Tennessee) foi seguido por usinas de larga escala em Hanford , Washington. A tecnologia requerida para desenhar, produzir e operar estas usinas foi desenvolvida em um curto espaço de tempo (menos de três anos) e o conhecimento criado era a força por trás da realização do potencial da energia nuclear no mundo comercial.

O conceito de uma fonte de energia que prometia estender viagem navais sem o recarregamento era obviamente uma investigação importante. Sob a direção de Hyman Rickover, um programa de um reator naval começou no fim dos 1940s e o primeiro submarino nuclear, o Nautilus, foi lançado em 1954. Um sucesso pendente, o Nautilus provou os méritos da propulsão nuclear para embarcações navais. Seu reator era o protótipo para a primeira usina nuclear, construída em Shippingport (Pennsylvania ) em 1957.

A decisão de desagrupar muita informação nuclear relatada ao invés de nutrir aplicações pacíficas foi criada pelo Presidente Dwight D. Eisenhower e anunciada em sua palestra sobre "Átomos para a paz" nas Nações Unidas em dezembro de 1953. Outras nações se uniram na procura de usos pacíficos para o átomo, e a primeira conferência internacional sobre energia nuclear ocorreu em Geneva em 1955. Nos Estados Unidos, a Comissão de Energia Atômica (fundada em 1946 para descobrir utilidades paisanas para a energia nuclear) foi responsável por pesquisas em vários conceitos sobre o reator que levaram ao nascimento da indústria civil. A Inglaterra entrou na produção de eletricidade através da energia nuclear em 1956. A primeira usina nuclear (de eletricidade) soviética veio a funcionar em 1954, e os franceses começaram a produção de suas primeiras usinas comerciais em 1957. No começo dos 1960s, a energia nuclear se estabeleceu como uma fonte de energia comercialmente viável.

FUSÃO NUCLEAR

Atualmente muitos cientistas tem tentado desenvolver sistemas eficientes que consigam promover a fusão controlada de átomos leves. Esses sistemas são chamados de reatores de fusão nuclear e são alvos de intensas pesquisas, sendo que são, atualmente, a maneira mais adequada de gerar energia para suprir a demanda atual da mesma.
A engenharia de mecanismos que promovam a fusão de átomos é bastante complexa e é descrita, em parte, com a máxima transparência possível neste trabalho.
Inicialmente são três as exigências para a operação bem sucedida de um reator termonuclear:

Elevada Densidade n de partículas - densidade das partículas integrantes(por exemplo, de deutério) deve ser suficientemente elevada para que a taxa de colisões d-d seja bastante alta. Na elevada temperatura requerida, o deutério estará completamente ionizado, e formará um plasma (gás ionizado) neutro, constituído por dêuterons e elétrons.

Elevada temperatura T do plasma - O plasma deve estar quente, pois de outra maneira os dêuterons colidentes não terão energia suficiente para penetrar na barreira coulombina que tende a mantê-los separados. Nas pesquisas de fusão as temperaturas são geralmente dadas em termos do valor de kT. Em laboratório já foi atingida a temperatura de plasma iônico correspondente a 20 keV, o que é equivalente a 23 x 10^7 K. Esta temperatura é mais elevada, por um fator maior que 15, que a temperatura no interior do Sol(1,3 keV ou 1,5 x 10^7 K).
obs.: Plasma é um estado da matéria onde a agitação dos átomos é tão alta que os núcleos dos átomos se desligam dos elétrons em órbita formando assim uma espécie de pasta iônica superaquecida de nêutrons, prótons e elétrons.
Um tempo de confinamento t dilatado - Um grande problema é o do confinamento do plasma quente durante um intervalo de tempo bastante longo para que a densidade e a temperatura permaneçam bastante elevadas e haja fusão apreciável do combustível. É evidente que nenhum recipiente de paredes sólidas pode suportar as elevadas temperaturas que devem reinar, por isso são necessárias técnicas engenhosas de confinamento. Discutiremos a mais importante a seguir.
Tokamak

Nas pesquisas sobre a fusão, muitos experimentos apresentam problemas técnicos e de construção mais difíceis que os comuns em outras pesquisas. Por exemplo, uma experiência de compressão, é indispensável manter um campo elétrico de 1000 V por centímetros ao longo de todo o plasma pré-aquecido, durante um milionésimo de segundo. Para obter isso, 40 condensadores que armazenam juntos 100 KJ de energia, quando carregados até 100 KVolts, são ligados em paralelo por 40 cabos e outras tantas chaves especiais. As 40 chaves devem ser ligadas juntas, dentro de um período de tempo equivalente a dois centésimos-milionésimos de segundo.
Em outros experimentos com trápolas magnéticas, os campos magnéticos necessários são enormes e exigem correntes muito fortes para os eletroímas. Afim de reduzir a necessidade de correntes tão grandes, desenvolveram-se componentes baseados na supercondutividade, cuja as espirais são resfriadas até quase o zero absoluto, onde a usa resistência é muito pequena.
Um plasma de alta temperatura confinado magneticamente emite radiações, núcleos e elétrons, que bombardeiam as paredes do recipiente. Isto pode liberar grandes quantidades de gás, que entram no plasma e o resfriam.

Qualquer pesquisa científica se defronta coma necessidade fundamental de conseguir medidas exatas. Esse ponto é particularmente difícil nas pesquisas sobre a fusão, mas já foram aperfeiçoadas várias técnicas, sob o nome geral de diagnósticos do plasma. As quantidades medidas são a corrente do plasma, a densidade dos elétrons, a energia e temperatura dos íons e elétrons, a distribuição do campo magnético e a emissão de nêutrons ( o número e a energia dos nêutrons emitidos durante a reação de fusão é uma indicação do grau de intensidade a reação). A dificuldade fundamental se encontra na natureza transitória e flutuante do plasma e na multiplicidade dos fenômenos. Em geral, vários métodos independentes são usados para se fazer uma determinada medição. Um dos métodos usados atualmente para o diagnóstico dos plasmas se fundamentam no emprego de fontes de raio laser.

Inicialmente para elevar ao máximo o número de choques que produzem energia, o maior número possível de núcleos devem ser mantidos juntos, na mais alta temperatura possível, durante o maior tempo possível. A temperatura exigida para a fusão de núcleos de deutério é de 300.000.000 ºC, com 10^15 núcleos contidos juntos durante 10 segundos. A densidade de íons(10^15) não é difícil de se conseguir, dado que não passa de um décimo-milésimo da densidade da atmosfera. Mas, embora existam vários meios de aquecer o plasma, nenhum deles atinge a temperatura exigida.

Os russos conseguiram desenvolver um sistema que permitiu o controle de uma reação nuclear de fusão. Tal mecanismo recebeu o nome tokamak, uma máquina capaz de dominar a força de um conjunto de ímãs em torno de uma massa de núcleos de hidrogênio, para espremê-lo até fundi-los. Embora os tokamaks tenham sido concebidos ainda na década de 50, a fusão ficou muito tempo parada.

Em 1945, foi criado o primeiro reator experimental de fissão, e vinte anos depois começarão a surgir as usinas comerciais. Hoje, todas as usinas funcionam a base de fissão. Em contrapartida só em 1991 foram produzidas as primeiras gotas de energia de fusão. Esse marco histórico foi concebido pelo maior e mais importante tokamak em operação, o do laboratório de pesquisas JET, em Abingdom, Inglaterra. Era o fim do monopólio das estrelas sobre a energia da fusão controlada. A máquina da JET garantiu uma potência 1,7 megawatt durante pelo menos dois segundos, o que pode parecer pouco. Mas, para uma experiência científica, é tempo de sobra: numa bomba de hidrogênio, todas as reações necessárias a explosão ocorrem em milionésimos de segundos. Além disso, o objetivo da experiência era justamente demonstrar que a fusão controlada de deutério era possível.

Atualmente há dezenas de tokamaks estudando este processo no mundo inteiro e, em dezembro de 1994, o da Universidade de Princeton, nos Estados Unidos, confirmou o efeito do JET, aumentando a potência para 6 megawat. Mas o tokamak inglês é o mais importante porque, com a sua ajuda os cientistas do JET realizaram o mais completo estudo da fusão nuclear até agora. Em milhares de experiências minuciosas, eles apontaram as virtudes e os defeitos do tokamaks como geradores de energia. Este diagnóstico será de grande valor na etapa que começa agora, a do desenvolvimento completo da tecnologia.

De acordo com os cálculos mais recentes, o primeiro tokamak comercial deve começar a funcionar a pleno vapor somente daqui a vinte ou trinta anos. Não é tanto tempo quanto parece. Afinal, a tecnologia empregada nos reatores atuais, a de fissão nuclear, levou vinte anos para ser desenvolvida numa época em que havia mais dinheiro disponível para a pesquisa. Seja como, a espera certamente vale a pena, pois fundir é muito mais vantajoso do que fender. Antes de mais nada, a fissão usa como combustível o urânio, cujas reservas devem durar, na melhor das hipóteses, cinquenta anos. Em contrapartida o combustível da fusão é o deutério, uma variedade de hidrogênio encontrada em quantidade praticamente inesgotável nos oceanos.

Em segundo lugar, a fissão transforma o urânio em um conjunto de substâncias terrivelmente radioativas. Já a fusão converte deutério em hélio, uma substância inofensiva. Embora as duas radiações sejam radiativas, a fusão não cria o perigoso lixo atômico. Outra grande virtude: se qualquer coisa vai mal, ela para imediatamente.É simplesmente impossível o reator sair de controle e provocar um acidente, como tem acontecido com diversas usinas de fissão.

REATOR NUCLEAR

"Reator nuclear" é todo sistema no qual, sob condições efetivamente controláveis, se pode produzir reação em cadeia de material físsil: urânio-235, plutônio, urânio-233. Tal designação está sendo largamente usada hoje, de preferência ao nome "pilha atômica", ainda em voga, sugerido pela estrutura dos primeiros sistemas postos em funcionamento, como o de Chicago (conhecido como "CP-1" = Chicago Pile One), realizado pela equipe de Fermi.
Nas bombas atômicas, a reação em cadeia processa-se integralmente durante tempo muitíssimo curto, o que libera de modo explosivo toda a energia armazenada no material fissionável, urânio ou plutônio, consumindo-se todo ele de uma vez. O processo é propositalmente violento e não sujeito a controle algum, salvo no que respeita ao início da reação: aparentemente, numa bomba atômica, a matéria ativa é conservada em porções de tamanho subcrítico, incapazes de "inflamarem" assim separadamente. No momento oportuno, as porções são reunidas de repente e desencadeia-se a explosão.
Nos reatores nucleares, pelo contrário, a libertação da energia faz-se com velocidades que podem ser modificadas pela intervenção de elementos reguladores adrede previstos. As maiores velocidades de reação até agora postas em jogo, nas pilhas experimentais, desprendem energia à razão de 30.000 quilowatts (reator de Brookhaven, Long Island, EUA), o que corresponde ao consumo de 36,2g de U-235 por dia, ou 13,2g/ano. O submarino atômico "Nautilus" está equipado com um reator de 60.000 quilowatts, o duplo da potência a que se reportam estas últimas cifras.

O problema número 1 na construção de um reator é a obtenção do "combustível" nuclear, cuja escolha deve obedecer a critério complexo, balanceando razões de ordem técnica e econômica, com restrições de origem estratégica (o perigo de seu desvio para finalidades de guerra).

Ao combustível nuclear devem associar-se o moderador e, eventualmente, o refletor. A consecução destes poderá ser mais ou menos dificultosa, dependendo da substância que seja preferida: água comum, água pesada, água leva, berílio ou seu óxido, grafito. Em alguns reatores o urânio (ou outro elemento ativo) fica em solução ou suspensão finíssima dentro do moderador; tem-se um sistema "homogêneo". Mais freqüentemente, porém, o reator é do tipo "heterogêneo": moderador e material físsil têm forma de barras ou blocos que se alternam, formando malhas de dimensões especialmente calculadas.

Em qualquer tipo, esse núcleo (moderador e matéria ativa) deve conter diversos canais, uns para a inserção de outros corpos, outros para passagem das barras de controle, e outros ainda para abrigo de tubulações por onde circula o "refrigerante", substância fluída (ar, água, mercúrio, metais em fusão: sódio, potássio, chumbo, bismuto) destinada a extrair da massa o calor aí desenvolvido pelas reações nucleares da fissão e conseqüente radiações. Evidentemente todas as partes devem ser mantidas em certas posições, e são necessários instrumentos de observação, barras de controle e outros acessórios. Donde o emprego de materiais ditos "de estrutura", que formam o esqueleto da pilha ou aloja os elementos fissionáveis e, progressivamente, os produtos resultantes das sisões nucleares. Todas as peças estruturais precisam resistir bem às radiações, às temperaturas de operação, sem oferecer embaraço ou captura à passagem dos nêutrons, os quais constituem, em última análise, partículas de importância decisiva para o funcionamento do sistema.

Menção derradeira se faça à casca geral, de material denso e inerte, destinada a reter o excesso de todas as radiações, inclusive os próprios nêutrons, e assegurar desse modo uma proteção eficiente para os operadores que hão de trabalhar nas vizinhanças da "pilha". Tal carapaça poderia ser de chumbo, mas, por motivos de facilidade construtiva, é feita geralmente de concreto, com vários decímetros de espessura (até 1,5m ou mais ainda); constitui "peso morto", a comprometer seriamente o emprego dos reatores nucleares em unidades móveis de pequena potência, para os automóveis comuns, por exemplo.

REATORES EM GERAL

Os reatores nucleares, que são baseados atualmente nos processos de fissão de determinados isótopos, podem ser classificados segundo diversos critérios, tais como, por exemplo: o espectro predominante de energia cinética dos nêutrons que provocam as fissões (reatores térmicos ou reatores rápidos); de acordo com o meio utilizado como arrefecedor (reatores refrigerados a água leve, água pesada, a gás ou metais líquidos); ou de acordo com o propósito ou função do reator. Neste último caso, a Comissão de Energia Atômica dos Estados Unidos classifica os reatores em três categorias:

1° - reatores de pesquisa e desenvolvimento;
2° - reatores de produção;
3° - reatores de potência.

Nos da primeira categoria, que constituem maioria atualmente, a produção da energia tem aspecto secundário: são reatores construídos para estudos científicos e técnicos, funcionando com baixas potências (algumas dezenas ou centenas de quilowatts). A única utilidade imediata de tais pilhas é a produção de radio-isótopos, importante aplicação prática da energia atômica, que tão grandes serviços tem prestado à biologia, à medicina, à agricultura, indústria e à técnica em geral, especialmente com os "indicadores" radioativos. Os reatores de pesquisa oferecem possibilidade para estudos sobre as radiações (beta, gama) e sobre os fenômenos que elas e os nêutrons são capazes de provocar desinterações atômicas, radioatividade artificial, entre outras coisas. Tais estudos, sobre constituírem ocasião para o progresso da física nuclear, permitem aperfeiçoar o conhecimento de aspectos teóricos e práticos dos fenômenos que regem as atuais e as futuras pilhas atômicas. Oferecem também informações de caráter tecnológico - comportamento dos materiais sujeitos às diversas radiações, importância do grau de pureza, e questões análogas - informações todas muito valiosas para melhoria dos reatores já existentes e para o melhor projeto dos futuros.
Em particular, são também as pesquisas desenvolvidas em torno de tais reatores "experimentais" que norteiam o estudo dos reatores da terceira categoria, especialmente destinados á produção econômica da energia.
As pilhas do segundo grupo têm serventia para o aproveitamento dos materiais "férteis" (U-238 e Th-232), a partir dos quais são fabricados os elementos físseis plutônio e urânio-233. Há poucos reatores com este objetivo, embora importantes na quantidade dos materiais que neles sofrem a conversão: citem-se as pilhas de Hanford (no estado de Washington) e as de Savannah River (South Carolina), nos Estados Unidos e as pilhas de Windscale Works (próximas a Sellafield, em Cumberland) na Grã-Bretanha. Ocorre notar que, inicialmente pelo menos, o principal interesse de tais "reatores de produção" lhes advinha das possíveis aplicações bélicas do plutônio. O objetivo principal destas pilhas é o aproveitamento do calor gerado pelo combustível, seja para geração de eletricidade, seja para propulsão ou geração de vapor; e reatores de pesquisa, nos quais o objetivo é aproveitar principalmente as radiações.

Os reatores do terceiro grupo são os que visam à libertação da energia atômica para fins pacíficos, isto é, os mesmos fins industriais, e outros, a que servem as demais fontes ordinárias de energia. Podem-se distinguir entre reatores fixos, funcionando por exemplo como usinas centrais de energia elétrica, e reatores móveis, para a propulsão de veículos - navios comuns, submarinos, aviões e outros. Os primeiros reatores de potência foram construídos nos Estados Unidos e, após isso, começaram a surgir novos projetos em andamento em outros países.

REATORES NUCLEARES (Rápidos e lentos)

Fig.: Reator Rápido

Os reatores nucleares se compõem dos seguintes elementos fundamentais: combustível, sistema de controle, sistema de refrigeração, blindagem e, em muitos casos, um moderador.
Um neutron recem-produzido numa reação nuclear de fissão, se movimenta a 16000 km/s. Se ele colidir com um átomo de urânio 235, provocara a fissão. Acontece, porem que no urânio natural existe apenas um átomo de urânio 235 para cada 140 átomos de urânio 238. Logo e muita pequena a probabilidade de um neutron rápido atingir um átomo de urânio 235, e produzir fissão. E mais provável que isso aconteça no caso de um neutron se movimentar a aproximadamente a 1,6 km/s.
Há, então, duas maneiras de se construir um reator. Ou os nêutrons velozes são transformados em lentos, ou se aumenta fortemente a proporção dos átomos físseis. UM moderador diminui a velocidade dos nêutrons, sem absorve-los. Átomos leves, como o hidrogênio (na água), o deutério (na água pesada) e o carbono (na grafita), são bons moderadores. Os nêutrons lentos são chamados de neutrons térmicos. O mesmo nome e também usado para designar os reatores que usam moderadores.

Reatores rápidos são aqueles que empregam nêutrons rápidos para manter a reação em cadeia. Eles usam combustível na proporção em que o material físsil aumenta consideravelmente, mediante a adição de plutônio 239, ou mais urânio 235.

Tanto nos reatores térmicos quanto nos rápidos, a 'população' de nêutrons, que mantém a reação em cadeia, e controlada mediante materiais que facilmente absorvem os nêutron, como o cádmio, o hafnio e o boro, comumente usados em forma de barras. Essas barras são introduzidas no reator e absorvem os nêutrons, desacelerando, por conseguinte, a reação e reduzindo a saída de energia do reator. Se as barras forem removidas, a reação se acelera novamente. Mas as barras são colocadas em posição tal que permitam ao reator produzir uma taxa de reação estacionaria.

A maior parte da energia produzida pela fissão dos átomos e liberada em forma de calor. Para aproveitar esse calor, e preciso transportá-lo, mediante um líquido refrigerante, percorrendo o centro do reator, normalmente para transferir o calor para uma caldeira, onde se produz vapor. Imensas quantidades de calor são geradas nos poderosos reatores usados para produzir eletricidade ou para impulsionar submarinos. E evidente que o sistema de refrigeração deve ser muito eficiente para garantir que não ocorra super aquecimento, e muito menos a fusão do núcleo. Os elementos refrigerantes devem ser baratos e não-corrosivos e, por outro lado, não devem absorver nêutrons. Entre eles se incluem gases como o dióxido de carbono e hélio, líquidos como a água comum, a água pesada, alguns compostos orgânicos e ainda alguns metais líquidos, como o sódio. Algumas vezes, a função de refrigerante e moderador são exercidas por um só moderador, como, por exemplo, a água natural.

Uma blindagem se faz necessário para proteger o público e os operadores do reator contra os nêutrons e os raios gama emitidos pelos produtos de fissão. O tipo de blindagem mais frequente é o formado por um paredão de concreto com vários metros de largura. Frequentemente, por dentro desse paredão, coloca-se ainda uma chapa aço para reduzir a velocidade dos nêutrons rápidos que a atravessam, diminuindo a energia liberada do concreto.

A exigência fundamental para se construir um reator é a de haver uma quantidade crítica de combustível, isto é, matéria físsil suficiente e já disposta de maneira tal que se possa manter uma reação em cadeia. Se a massa físsil for pequena demais, ou estiver disposta de maneira errada, hão de fugir muitos nêutrons e a reação em cadeia e a reação em cadeia será incapaz de auto sustentar-se. Outro fator que dever ser tomado em consideração e a absorção dos nêutrons por parte dos materiais das estrutura, pelo líquido refrigerante e por materiais não físseis no combustível. Diz-se que se atingiu o ponto crítico, quando a reação em cadeia se auto-sustenta. Geralmente, para iniciar uma reação em cadeia, é necessário recorrer a uma fonte artificial de nêutrons.

REATORES MAGNOX

A primeira usina elétrica nuclear do mundo usou reatores refrigerados a gás. Construída em Calder Hall, Cumberland, Inglaterra, entrou em funcionamento em outubro de 1956. Seus quatro reatores foram os precursores de uma série de outros, também refrigerados a gás, construídos na Inglaterra e em outros países para produzir eletricidade. A produção elétrica de Calder Hall é de 180MW. No entanto, esse tipo de reator passou por notáveis aperfeiçoamentos em cada uma das novas usinas que se construíram. A usina que está em construção em Wylfa Point, Anglesey, produzirá 1180MW, com seus reatores geminados.
Todos esses reatores usam urânio natural como combustível. O urânio está presente em forma de barras , embaladas em caixas feitas com uma liga de magnésio. Essa liga é chamada magnox, de onde se deriva o nome dado a esse tipo de reatores. O invólucro de magnox é feito em forma de escamas, a fim de facilitar a transferência de calor para o gás refrigerante.
Moderador é constituído de grafita, e tem a forma de uma retícula quadrada de tijolos, atravessada por canais verticais. As barras de combustível são empilhadas nesses canais, umas em cima das outras; alguns dos canais são ocupados por barras de controle feitas de aço e boro. O elemento refrigerador - gás de dióxido de carbono - flui através dos canais e sobre o material combustível.

O núcleo de um reator refrigerado a gás é circundado por um refletor de grafita que faz retroceder uma parte dos nêutrons que escapam do reator.

O elemento refrigerador, que absorve o calor do reator (a uma temperatura entre 350° e 400°C) é usado para produzir vapor de água para o turbo gerador. O gás que sai do permutador de calor é mandado de volta para o reator por meio de ventiladores muito potentes. Uma blindagem de cimento, construída ao redor do reator, protege os operadores e o público. O permutador de calor não está protegido com uma blindagem biológica, porque o dióxido de carbono não se torna radioativo, embora passe através do núcleo do reator.

Em sua maior parte, esses reatores refrigerados a gás dispõem de aparelhagem muito complexa, colocada na parte superior, que os reabastece automaticamente durante o funcionamento.

REATORES REFRIGERADOS A GÁS APERFEIÇOADOS (AGR)

Embora as centrais elétricas de magnox tivessem demonstrado contínuo desenvolvimento dos reatores refrigerados a gás, era imperativo conseguir maiores aperfeiçoamentos, para aumentar a eficiência térmica e extrair mais calor do combustível, afim de diminuir o capital necessário e reduzir os custos operacionais. A principal diferença desses reatores aperfeiçoados (AGR), refrigerados a gás, consiste no faro de usarem como combustível dióxido de urânio cerâmico, embalado em aço inoxidável. Porque o aço inoxidável absorve nêutrons e também porque o combustível esta em forma de um óxido, o conteúdo de urânio 235 existente no combustível e ligeiramente aumentado. Entretanto, o elemento refrigerador e o moderador são do mesmo tipo usados nas centrais elétricas magnox e, embora os AGR sejam consideravelmente mais compactos, a planta, a construção e o funcionamento são em grande parte idênticos.

REATORES A ÁGUA PRESURIZADA (PWR)

Nesse tipo de reator o elemento refrigerador usado e a água comum, sob pressão muito forte. Ela e aquecida até atingir até 580º, embora não ferva por causa da alta pressão, e passa por um permutador de calor, onde faz ferver a água contida num circuito secundário, para produzir vapor. A água pressurizada funciona também como moderador.
Um moderno gerador desse tipo (PWR) usa como combustível, óxido de urânio enriquecido, em forma de pastilhas, as quais são colocadas em grande número em tubos de zircônio, até formarem barras que atingem o comprimento do núcleo do reator. Usa-se o zircônio por causa de sua resistência á ação corrosiva da água quente. As barras são dispostas em grupos de elementos de combustível. Os espaços entre eles devem ser pequenos porque a água é um moderador poderoso.
Tendo em vista a alta pressão do elemento refrigerado, o recipiente de pressão deve ser feito de aço muito espesso. Apesar disso esse tipo de reator (PWR) é muito compacto, bem menor que um reator a água fervente, ou que um reator a gás, de potência equivalente. Evidentemente, ele é protegido por uma blindagem biológica, da mesma forma que os seus permutadores de calor, porque a água proveniente do núcleo do reator e radioativa.

Um de seus aspectos interessantes é o uso de um regulador químico. Este é um recurso para compensar as variações a longo prazo na reatividade, associadas com a depleção do combustível e com o aumento dos produtos de fissão obtidos pela mistura de um absorvente solúvel de nêutrons (boro como ácido bórico) com elemento refrigerador. Mas as barras reguladoras ainda continuam usadas . São feitas de uma liga prata-índio-câdmio, e formam grupos que se movem entre os tubos de combustível. Sua finalidade consiste em variar o nível de potência dp reator para ajustá-lo às necessidades, além de desligar o reator, quando necessário. Mas a regulagem química é que cuida das variações a longo prazo na reatividade, para isso bastando um número relativamente pequeno de barras: 60 numa usina de 1000 MW em lugar das 150 que seriam necessárias, se a regulagem química não fosse usada. Durante cada interrupção para reabastecimento, substitui-se apenas um terço das barras de combustível; e as restantes são redistribuídas, afim de se obter melhor rendimento no ciclo seguinte.

REATORES A ÁGUA FERVENTE (BWR)

Nos reatores a água fervente, esta é o liquido refrigerador e também o moderador , mas não esta sobre pressão, e ferve no reator. O BWR portanto, assemelha-se a uma chaleira nuclear, cuja fonte de calor é um combustível constituído de óxido de urânio enriquecido, em liga de zircônio. O vapor passa diretamente da parte superior do reator para os turbo-geradores.
O BWR é um reator relativamente simples. Não possui permutadores de calor, e seu retentor de pressão deve suportar pressões muito menores do que as de um PWR, tendo por isso paredes mais delgadas.
O BWR, no entanto, passou por uma série de modificações, destinadas a superar o problema característico desse tipo de reatores. Quando a água ferve no núcleo do reator, as bolhas que se formam modificam as propriedades de moderador e absorvente do refrigerador moderador, afetando além disso a transferência de calor obtida do combustível. Para solucionar esses problemas, grande parte da água é bombeada para fora do núcleo e recolocada em um ponto de temperatura mais baixa.

A aceitação dos BWR sofreu um atraso motivado por dúvidas quanto à sua segurança, mas elas forma selecionadas por meio de uma espetacular série de experiências . As dúvidas surgiram porque o efeito da formação de bolhas no núcleo do reator era aparentemente imprevisível. Ao mesmo tempo ficou demostrado que se o reator atingisse tal grau de reatividade que pudesse fazer explodir uma parte do seu núcleo, as bolhas também se formariam com rapidez suficiente para interromper a reação antes mesmo que os componentes saíssem do reator.

REATORES A ÁGUA PESADA

A água pesada é um moderador melhor do que a água comum (leve), pois absorve muito menos nêutrons e os deixa se movimentarem mais tempo antes que eles adquiram energias térmicas. Em conseqüência disso, os elementos de combustível podem ser postos a alguns centímetros uns dos outros, o que torna o núcleo menos compacto, ao passo que, nos reatores a água comum, tais elementos devem ser separados apenas por alguns milímetros.
Há dois modos diferentes de construir reatores a água pesada. Um deles usa de recipiente de pressão; o outro, tubos de pressão. No segundo tipo, o moderador de água pesada fica separado do elemento refrigerador, dentro de um grande recipiente provido de tubos. Os tubos de pressão, inseridos nos tubos do recipiente, contém o combustível. E o elemento refrigerador, que pode ser a água comum, água pesada, gás, vapor, entre outros; passa por entre os tubos de pressão.

A ENERGIA NUCLEAR HOJE

Durante os 50 anos desde a descoberta da fissão, a energia nuclear se tornou uma grande fonte da energia elétrica mundial. No final de 1989 haviam 416 usinas nucleares operando no mundo, gerando cerca de 17% da eletricidade mundial, com outras 130 no estágio de construção ou de desenho. Usinas nucleares operam em 27 nações, e 5 nações adicionais as têm em construção.
O programa de energia nuclear nos Estados Unidos é o maior do mundo: 108 usinas operando (1989) tem a capacidade de aproximadamente 100.000 MW e produzem cerca de 20% da eletricidade nos E.U.A .A energia nuclear é agora a segunda maior fonte de eletricidade dos E.U. , superada apenas pelo carvão, que gera cerca de 55% da eletricidade no mundo. Outros contribuintes na geração de eletricidade são o gás natural (9%), óleo (6%) e hidroelétricas (9%). Da fração nuclear se espera que alcance cerca de 25% durante os 1990s.
Em geral, usinas nucleares são mais complexas e caras para serem construídas que as usinas que utilizam fósseis como combustível (Porém o custo do combustível de usinas nucleares é significamente baixo). No balanço, a energia de combustível é tão grande que a eletricidade nuclear é mais barata que fóssil para a maioria das nações. Para os países industrializados da Europa e Ásia, a diferença no custo deve ser tão grande quanto um fator de 2.

O Programa Nuclear da França

O programa nuclear da França começou nos 1940s com a finalidade de criar uma competência em armas nucleares. Como o programa dos E.U. , os primeiros reatores franceses foram construídos para a produção de plutônio. As primeiras unidades comerciais na França, que usavam ar como líquido refrigerante, estavam operando em 1957. A operação foi um sucesso técnico, mas não econômico. Como resultado, em 1970, os franceses adotaram a tecnologia americana da água leve. Subseqüentemente, os franceses construíram 54 reatores domésticos com mais 9 em construção. A França padronizou seus desenhos para aumentar a eficiência de construção e operação. Eles também construíram unidades para a Bélgica , África do Sul, Coréia do Sul e China.

O Programa Nuclear Japonês

Os japoneses também tiveram um vigoroso e suscetível programa nuclear. Necessitado de algum significante recurso de energia nativo, em 1955 o governo japonês selecionou a energia nuclear como sua maior tecnologia de fornecimento de eletricidade. O programa cuidadosamente criou a capacidade interna de manufaturar equipamento e construir usinas nucleares, para operar um sistema de energia de alta qualidade, e para prover completa tecnologia a todo o ciclo do combustível. As empresas no Japão se tornaram líderes na operação de usinas; e lá pelo ano 2020, a porção do Japão servida por eletricidade nuclear deve exceder 50%. No futuro o plano japonês de explorar o potencial dos Reatores de Produção, que convertem U-238 (infissionável) em plutônio-239 (fissionável). Um programa susceptível de reator de produção poderia eliminar a necessidade de o Japão importar qualquer combustível para a produção de eletricidade. De qualquer maneira, o custo da eletricidade de produtores supera o preço dos reatores convencionais de água leve. A diplomacia japonesa assume que o combustível urânio se tornará escasso, fazendo da tecnologia de produção uma atividade bem econômica.

A Queda na Velocidade de outros Programas Nacionais

Programas de energia nuclear na maioria dos outros países sofreram uma paralisação virtual. (Nos E.U. não houve uma ordem para uma nova usina desde a metade dos 1970s.) As maiores causas foram a procura de métodos mais eficientes no consumo do óleo, e uma queda na demanda de energia. Igualmente significantes foram as preocupações sobre a segurança de reatores nucleares e uma crescente cautela sobre os problemas criados pelos resíduos nucleares.
A opinião pública permaneceu altamente favorável à energia nuclear até o acidente no reator da Three Mile Island (TMI) na primavera de 1979. O acidente começou com a falha de alguns hardwares da usina. Por si mesma, a falha não teria causado sérias avariações no reator, mas uma série de erros na interpretação das condições do reator levaram a mais erros, que removeram o material refrigerante do reator e levou grande porção do combustível a fundir. Embora tenha havido vastas avariações no reator, o sistema de acomodação funcionou, prevenindo a liberação de muita radioatividade ao meio. Contudo, havia uma apreensão durante vários dias entre a população local. Os acontecimentos na TMI receberam a atenção do mundo, dominou a mídia por vários dias, e causou uma histórica mudança nas atitudes com relação à energia nuclear.
O acidente também causou sérios impactos no licenciamento de novas usinas. Regulamentos foram drasticamente modificados para prevenir o acontecimento de fatos como o da TMI. As modificações complicaram a construção de novas usinas tanto quanto a operação de usinas já existentes. O tempo de construção se expandiu de cerca de 6 anos para 12 anos, e os custos das usinas aceleraram rapidamente por causa dos novos requerimentos.

Outro fator que contribuiu para a estagnação de novas construções foi a intervenção de grupos anti-nucleares nos procedimentos de licenciamento de novas usinas. Tanta intervenção tem provado ser dispendioso e demorado para a indústria, particularmente para aquelas usinas nos últimos estágios de construção, quando os custos de interesse sobem nos bilhões que foram emprestados. As usinas de Shoreham (Nova Iorque) e de Seabrook (New Hampsire) são notáveis exemplos de endividamentos , causados em parte por demora na conclusão.

Embora poucos outros países permitam o âmbito da intervenção pública em audiências de licenciamento que é permitido nos E.U. , todas as maiores nações nucleares impõe regulamentos estritos em suas usinas de energia nuclear. Contudo, estudos indicam que , na maior parte, a indústria nos E.U. funciona muito menos eficientemente que aquelas na Suíça, Alemanha, França e Japão. Um fator chave em sua performance superior pode ser a cooperação que existe entre as indústrias e seus fornecedores e reguladores (uma cooperação que, até recentemente, não era aparente nos Estados Unidos).

Em seus primeiros anos, a energia nuclear tinha preço competitivo com o do carvão. Algumas das mais baratas fontes de eletricidade nos Estados Unidos hoje são usinas nucleares construídas antes do período da TMI. O meio atual, de qualquer forma, fizeram da energia nuclear uma escolha não econômica para as empresas dos E.U..

Chernobyl

O acidente em Abril de 1986 na Usina de Chernobyl na URSS (atual Rússia) foi tão devastador quanto um acidente nuclear pode ser. Uma grande quantidade de material radioativo (entre 30% e 50% de todo o material do reator) foi liberada. A radiatividade abandonada propagou-se, forçando a evacuação de mais de 100.000 moradores locais e causando a poluição de comidas em grandes porções da Europa.
O desenho do reator da usina de Chernobyl usa água como refrigerante e grafite como o material usado no reator. Este tipo de reator é considerado perigoso e é usado apenas na URSS (Rússia). (Seu desenho não seria licenciado nas nações Ocidentais.) Contudo, o acidente influenciou profundamente na aceitação pública da energia nuclear em todo o mundo. É muito cedo para saber se o acidente de Chernobyl tem enfraquecido o futuro da energia nuclear em países industrializados.

FATOS ATUAIS

Brasil: Um acordo de salvaguarda nuclear com a Agência Internacional de Energia Atômica (AIEA), aprovado pelo congresso em 9/2/1994, abre as instalações nucleares brasileiras à inspeção internacional. O programa que constrói o primeiro submarino nuclear do país não está incluído no acordo.
A Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN) autoriza em 8/12/1994 a reativação da usina nuclear Angra 1, em Angra dos Reis, no Rio de Janeiro. Angra 1 havia sido desligada em 3/3/1993, com defeito no reator. No dia 12, é anunciada a retomada das obras da usina nuclear Angra 2.
Obs: O primeiro reator nuclear da América Latina foi instalado na USP, em São Paulo.

Mundo: Os presidentes dos EUA, Bill Clinton, e da Rússia, Boris Yeltsin, assinaram em 14/1/1994 a Declaração de Moscou, pela qual os mísseis nucleares de longo alcance dos dois países deixaram de estar apontados para qualquer região habitada, a partir de 31/5/1994. O acordo mostra a transição da Guerra Fria para uma nova política de cooperação.

O presidente dos EUA, Bill Clinton, anuncia em 10/1/1994, em Bruxelas, um acordo com a Ucrânia que prevê a transferência do arsenal nuclear em território ucraniano para a Rússia até 31/5/1994 e sua posterior destruição. O acordo envolve a assistência técnica e comercialização de urânio enriquecido. A segurança da Ucrânia fica garantida pela Rússia e EUA. No dia 14/1/1994, os presidentes Bill Clinton, e Boris Yeltsin confirmam a condição de Estado não-nuclear à Ucrânia. Com o fim da URSS, a Ucrânia possui o terceiro arsenal nuclear do planeta.

Bill Clinton anuncia em 14/03/1994 uma programação até setembro de 1995 da moratória de testes nucleares norte-americanos.

Voltando atrás em relação ao acordo concluído em 26/2/1994, o governo norte-coreano impede em 21/3/1994 a inspeção de suas instalações nucleares pela Agência Internacional de Energia Atômica. No dia 23, Clinton anuncia o envio de mísseis antimísseis Patriot para os sul-coreanos.

Navios dos EUA desembarcam na Coréia do Sul baterias dos antimísseis em 18/4/1994. É a parte dos esforços conjuntos dos governos norte-americano e sul-coreano para pressionar a Coréia do Norte a permitir a inspeção ao seu programa nuclear.

O governo da China anuncia em 9/6/1994 que fez um teste nuclear subterrâneo no deserto de Lop Nor, sem dar detalhes. Segundo o Instituto Sismológico de Amsterdã, a explosão mede 5,8 graus na escala Richter, oito vezes maior que a bomba que explodiu em Hiroshima.

Em 7/6/1994, o governo norte-coreano diz que 'nunca' permitirá a inspeção. No dia seguinte, volta atrás e condiciona a vistoria a conversações com os EUA. Mas a AIEA teme que o combustível do núcleo do reator de Yongbyon tenha sido retirado, impedindo a verificação de desvio de material para produzir bombas.

Impasse - Em 9/6/1994, a AIEA suspende a ajuda de US$250 mil por ano ao país. A Coréia do Norte ameaça romper com o tratado de Não-Proliferação Nuclear. Os EUA anunciam o envio de reforços para seus 36 mil soldados na Coréia do Sul. No dia 10, o governo norte-coreano expulsa os dois últimos inspetores da AIEA.Em 15/6, os EUA apresentam ao Conselho de Segurança da ONU um projeto de sanções.

Negociação - O ex-presidente dos EUA Jimmy Carter vai à Coréia do Norte e anuncia em 16/6 que Pyongyang aceita a inspeção e quer retornar o diálogo com os EUA. Em 22/6, Clinton exige o congelamento do programa nuclear norte-coreano e obtém a concordância do presidente Kim II-Sung.

Em 10/8/1994 a polícia apreende entre 100 e 300 gramas de plutônio 239 enriquecido, no aeroporto de Munique (Alemanha). Três homens foram presos. Em 17/8, o ministro do Exterior, Klaus Kinel, exige do governo da Rússia providências contra a máfia, responsável pelo contrabando de plutônio.

Em 4/8/1994, os EUA e Coréia do Norte retomam a negociação sobre as instalações nucleares norte-coreanas, em Genebra. No dia 12, os países acertam um acordo. A Coréia do Norte se compromete a respeitar o Tratado de Não-Proliferação Nuclear e anuncia que vai parar a construção de dois reatores nucleares. Os EUA prometem buscar financiamento para a substituição dos reatores resfriados à grafite pelos de água leve, considerados mais seguros por não permitir a fabricação de armas nucleares.

Em 9/9/1994, três homens são presos na cidade de Glazov (Rússia) transportando 100 quilos de urânio-238. É a maior quantidade de urânio confiscada numa tentativa de contrabando no país.

Em 7/10/1994, a China realiza um teste nuclear subterrâneo no deserto de Lop Nor, provocando uma explosão de 40 a 140 quilotons, segundo sismólogos australianos. EUA, Rússia, França e Reino Unido, que mantêm uma moratória nos testes com armas nucleares desde 1992, protestam. A China argumenta que essas provas são necessárias para a manutenção de seu restrito arsenal nuclear.

Em 4/10, o governo aceita um plano internacional para fechar a usina de Chernobyl, responsável em 1985 pelo pior acidente nuclear da História. O país deve receber uma ajuda de US$2 bilhões do Grupo dos Sete e da União Européia como compensação pelo fechamento da usina.

Em 5/12/1994 a Ucrânia formaliza, na reunião de cúpula da CSCE, a adesão ao Tratado de Não-Proliferação Nuclear, comprometendo-se a desmantelar as cerca de mil ogivas que herdou da antiga URSS.

Obs: A Agência Internacional de Energia Atômica (International Atomic Energy Agency, AIEA) promove o emprego da energia nuclear para fins pacíficos, dá assistência a pesquisas, fiscaliza e determina medidas de segurança contra o desvio de materiais nucleares para uso militar. Fiscaliza o funcionamento de usinas nucleares e dá orientação sobre proteção ambiental. Estimula o intercâmbio de informação científica sobre energia nuclear. Sede: Centro Internacional de Viena (Austrália).

RADIATIVIDADE

História: É a desintegração espontânea do núcleo atômico de alguns elementos (urânio, polônio e rádio), resultando em emissão de radiação. Descoberta pelo francês Henri Becquerel (1852-1909) poucos meses depois da descoberta dos raios X. Becquerel verifica que, além de luminosidade, as radiações emitidas pelo urânio são capazes de penetrar na matéria.
Dois anos depois, Pierre Curie e sua mulher, a polonesa Marie Curie, encontram fontes radioativas muito mais fortes que o urânio. Isolam o rádio e o polônio e verificam que o rádio era tão potente que podia provocar ferimentos sérios e até fatais nas pessoas que dele se aproximavam.
Tipos de radiação: Existem três tipos de radiação: alfa, beta e gama. A radiação alfa (a)é uma partícula formada por um átomo de hélio (He) com carga positiva (dois prótons e dois elétrons). A emissão a pode ser equacionada conforme mostram os exemplos a seguir:

U = a + Th Ra = a + Rn

obs: Nas equações acima temos: U (urânio - massa=238, tem 92 prótons); Th (tório - massa=234, tem 90 prótons); Ra (rádio - massa=226, tem 88 prótons); Rn (radônio - massa=224, tem 86 prótons);
As partículas Beta (ß) são elétrons emitidos pelo núcleo de um átomo instável. Isso ocorre pois em núcleos instáveis ß-emissores, um nêutron pode se decompor um próton, um elétron e um antineutrino (partícula com número de massa zero e carga nula). O próton permanece no núcleo, o elétron (partícula ß) e o antineutrino são emitidos. Assim, ao emitir uma partícula ß, o núcleo tem a diminuição de um nêutron e o aumento de um próton. Deste modo, o número de massa permanece constante. As emissões ß podem ser equacionadas como mostram os seguintes exemplos:

Bi = ß + Po Tl = ß + Pb

obs: Nas equações acima temos: Bi (bismuto - massa=214, tem 83 prótons); Po (polônio - massa=214, tem 84 prótons); Tl (tálio - massa=210, tem 81 prótons); Pb (chumbo - massa=210, tem 82 prótons);
Ao contrário das radiações a e ß, que são constituídas por partículas, a radiação Gama (g) é formada por ondas eletromagnéticas emitidas por núcleos instáveis logo em seguida à emissão de uma partícula a ou ß.
Tomemos como exemplo o Césio 137, um ß-emissor envolvido no acidente de Goiânia. Ao emitir uma partícula b, seus núcleos se transformaram em bário 137. No entanto a partícula ß emitida pode ter energia de 1,18 MeV ou 0,52 MeV. Neste último caso, o núcleo resultante não eliminou toda a energia que precisaria eliminar para se estabilizar e, dessa forma, cabe à radiação g levar para fora do núcleo o excesso de energia. Com isso, temos que a emissão de uma onda eletromagnética (radiação g) ajuda um núcleo a se estabilizar.

*Símbolo*	*Composição*	*Carga Relativa*	*Massa (u)*	*Velocidade*	*Poder de Penetração*
*a (alfa)*	*2 prótons e 2 elétrons*	+2	4	*5% a 10% da velocidade da luz*	*muito baixo*
*ß (Beta)*	*elétron*	-1	*1/1836*	*Até 90% da velocidade da luz*	*baixo*
*g (gama)*	*onda eletromagnética*	0	0	*Igual á velocidade da luz (3x10^8 m/s)*	*alto*

DESENVOLVIMENTO E FABRICAÇÃO DE COMBUSTÍVEIS NUCLEARES

O Combustível Nuclear, essencial para o funcionamento de qualquer tipo de reator, contém os isótopos físseis que permitem realizar a reação de fissão em cadeia. A fabricação do combustível nuclear corresponde às etapas finais do Ciclo do Combustível Nuclear, que antecedem a utilização nos reatores. A fabricação do combustível compreende processos químicos, metalúrgicos e cerâmicos, além de um cuidadoso controle dos processos envolvidos e da qualidade do produto final. O Departamento de Tecnologia de Combustíveis é o setor do IPEN responsável pelo desenvolvimento de processos de fabricação de combustíveis nucleares, tendo produzido nos últimos anos material combustível para reatores de pesquisa nacionais, na forma de pastilhas de dióxido de urânio, barras de urânio metálico ou elementos combustíveis do tipo placa. Estas atividades vêm sendo desenvolvidas nas três divisões que compõem o departamento: Processos Químicos, Processos Metalúrgicos e Desenvolvimento de Elementos Combustíveis.

Combustível Nuclear

O combustível nuclear é essencial para o funcionamento dos reatores nucleares de fissão. A fissão nuclear é o processo pelo qual átomos de certos elementos pesados desintegram-se em dois átomos mais leves, depois de absorverem um nêutron. No combustível estão contidos os átomos dos isótopos físseis. Também são liberados alguns nêutrons no processo, permitindo que prossiga a reação em cadeia, uma vez que estes nêutrons provocarão novas fissões. O processo libera grandes quantidades de energia, que pode ser utilizada na geração de eletricidade, propulsão e aquecimento. Também podem ser aproveitados os produtos de determinadas reações nucleares na medicina, indústria e agricultura. Os materiais combustíveis básicos para geração de energia nuclear, encontráveis na natureza, são o urânio e o tório. Outro material de importância, mas obtido por irradiação do urânio, é o plutônio. Dos principais isótopos físseis: 233U, 235U, 239Pu, 241Pu, somente o 235U ocorre naturalmente, em concentrações menores que 1% em massa (0,71%). O restante é composto praticamente do 238U, o qual é fissionável. Os outros isótopos físseis acima citados podem ser obtidos por absorção de nêutrons e subseqüente decaimento beta pelos materiais férteis: 232Th, 238U e 240Pu.
Existem inúmeras concepções de combustíveis. Contudo, considerando-se os tipos predominantes de reatores de potência (80% dos reatores em operação no mundo são do tipo a água leve) e de pesquisa (predominam os do tipo piscina ou tanque de água), poder-se-ia dizer que o combustível mais difundido no primeiro caso é constituído por pastilhas cilíndricas de dióxido de urânio encamisadas por uma liga de zircônio e, no segundo caso, destacam-se os combustíveis constituídos por dispersões na forma de pequenas partículas de compostos que contêm os isótopos físseis do urânio ou do plutônio e, eventualmente, suas misturas em uma matriz metálica ou cerâmica. Este tipo de elemento combustível, quando composto por conjuntos de placas contendo dispersões de compostos de materiais físseis e férteis em matriz metálica, também é conhecido como combustível tipo MTR, já que este tipo de combustível foi desenvolvido inicialmente para o "Materials Testing Reactor", projetado no Oak Ridge National Laboratory-EUA.

Ciclo do Combustível Nuclear

O ciclo do combustível inclui todas as atividades envolvidas na obtenção e na irradiação do combustível em reatores nucleares, bem como a estocagem definitiva ou o reprocessamento do combustível gasto, com ou sem o reaproveitamento dos materiais físseis ainda presentes, e a deposição final dos rejeitos constituídos de produtos de fissão gerados durante a irradiação. Essas atividades podem ser agrupadas em três categorias: a primeira envolveria as atividades que ocorrem antes da irradiação do combustível, quando estes têm níveis de radioatividade relativamente baixos. A segunda categoria envolve a irradiação dos combustíveis nos reatores. A terceira categoria diz respeito ao reprocessamento dos combustíveis gastos, os quais são altamente radioativos.
O ciclo do combustível nuclear é o caminho seguido pelo material combustível em seus vários estados, da extração dos minérios até o descarte final dos rejeitos. Da mesma forma que os ciclos típicos baseados em combustíveis fósseis, o ciclo do combustível nuclear envolve as seguintes etapas:

exploração e avaliação de reservas;
mineração ou perfuração para acesso às reservas;
processamento e refino dos materiais brutos;
fabricação dos elementos combustíveis;
utilização do combustível nos reatores;
tratamento e eventual descarte de rejeitos gerados;
transporte dos materiais entre as várias etapas.

Elemento Combustível

O reator IEA-R1 do IPEN, desde 1988, vem sendo mantido em operação por meio da substituição de elementos combustíveis importados, já altamente queimados (até 50 % dos átomos de 235U contidos no E.C. já foram fissionados), por elementos combustíveis fabricados no IPEN.

O elemento combustível utilizado no reator IEA-R1 é do tipo MTR ("Material Testing Reactor"). O elemento padrão é composto por 18 placas planas paralelas, montadas mecanicamente num estojo de alumínio. Os elementos destinados a receber as barras de controle têm geometria diferente, possuindo 12 placas paralelas. Neste caso, o comprimento total do elemento é maior devido à existência do dispositivo-guia para inserção das barras do sistema de segurança.

A produção destes elementos no IPEN foi resultado de um esforço de desenvolvimento, visando capacitar o país quanto ao domínio tecnológico dos processos envolvidos. Este desenvolvimento procurou adequar-se às restrições mundiais quanto ao fornecimento de urânio altamente enriquecido, que foram criadas a partir do ano de 1978.
Já foram produzidos até o presente 20 elementos completos (dos quais 4 do tipo controle) e 2 elementos parciais com as características citadas acima. Com a produção destes elementos no país, evitou-se a compra no mercado externo, representando uma economia de divisas superior a 1 milhão de dólares. Os primeiros elementos constituídos de dispersões U3O8-Al produzidos no IPEN já apresentam taxas de queima próximas de 30% (de átomos de 235U queimados), o que atesta um bom desempenho operacional.

CONCLUSÃO

Os grandes desafios à tecnologia e ciência contemporâneas são a busca de novas fontes de energia e a preservação do meio ambiente. O uso de combustíveis fósseis (petróleo e carvão) ainda é predominante. Eles poluem o meio ambiente e suas reservas não renováveis. A energia nuclear é a alternativa mais amplamente utilizada no mundo inteiro, mas ainda não é totalmente segura.

As possibilidades da energia nuclear surgem em época providencial, para todo o Universo, pois a vida contemporânea está reclamando, por toda a parte, novos e extensos suprimentos de energia. Nos países altamente industrializados, como os Estados Unidos, a demanda de eletricidade duplica a cada dez anos. Estima-se que o consumo de energia no início do século XXI seja cinco vezes maior que o consumo atual. A serem corretos semelhantes cálculos, as atuais reservas de combustível de origem fóssil logo se tornarão insuficientes.

As jazidas de urânio e de tório constituirão possibilidades importantes, se for viável de fato, o processo de conversão do U-238 e do tório em materiais físseis.

De qualquer modo, a energia nuclear constitui um dos novos recursos de que a humanidade terá de valer-se agora, sem abandono de outros, por enquanto desaproveitados, como raios solares diretos e a maré, entre outros. Pudessem todas as reservas de energia permanecer destinadas unicamente a atividades construtivas! Este aspecto do problema, todavia, transcede nosso tema... Seria mister que os homens se entendessem melhor uns com os outros. "Bem aventurados os pacíficos...". Mas, isto depende de uma profunda voluntária reforma de nós mesmos.

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quarta-feira, 28 de janeiro de 2015

Artigos: Energia Nuclear