Energia Nuclear

Energia nuclear

Este tipo de energia é obtido a partir da fissão do núcleo do átomo de urânio enriquecido, liberando uma grande quantidade de energia.

]Urânio enriquecido - o que é isto? Sabemos que o átomo é constituído de um núcleo onde estão situados dois tipos de partículas: os prótons que possuem cargas positivas e os nêutrons que não possuem carga.

]Em torno do núcleo, há uma região denominada eletrosfera, onde se encontram os elétrons que têm cargas negativas. Átomos do mesmo elemento químico, que possuem o mesmo número de prótons e diferentes número de nêutrons são chamados isótopos. O urânio possui dois isótopos: 235U e 238U. O 235U é o único capaz de sofrer fissão. Na natureza só é possível encontrar 0,7 % deste tipo de isótropo. Para ser usado como combustível em uma usina, é necessário enriquecer o urânio natural. Um dos métodos é “filtrar” o urânio através de membranas muito finas. O 235U é mais leve e atravessa a membrana primeiro do que o 238U. Esta operação tem que ser repetida várias vezes e é um processo muito caro e complexo. Poucos países possuem esta tecnologia para escala industrial.

O urânio é colocado em cilindros metálicos no núcleo do reator que é constituído de um material moderador (geralmente grafite) para diminuir a velocidade dos nêutrons emitidos pelo urânio em desintegração, permitindo as reações em cadeia. O resfriamento do reator do núcleo é realizado através de líquido ou gás que circula através de tubos, pelo seu interior. Este calor retirado é transferido para uma segunda tubulação onde circula água. Por aquecimento esta água se transforma em vapor (a temperatura chega a 320oC) que vai movimentar as pás das turbinas que movimentarão o gerador, produzindo eletricidade (fig. 2). Depois este vapor é liquefeito e reconduzido para a tubulação, onde é novamente aquecido e vaporizado.

No Brasil, está funcionado a Usina Nuclear Angra 2 sendo que a produção de energia elétrica é em pequena quantidade que não dá para abastecer toda a cidade do Rio de Janeiro.
No âmbito governamental está em discussão a construção da Usina Nuclear Angra 3 por causa do déficit de energia no país.
Os Estados Unidos da América lideram a produção de energia nuclear e nos países França, Suécia, Finlândia e Bélgica 50 % da energia elétrica consumida, provém de usinas nucleares.

Fusão

"There is no evil in the atom; only in men's souls."
Adlai Stevenson (1900-1965), U.S. Democratic politician.

"Man masters nature not by force but by understanding. This is why science has succeeded where magic failed: because it has looked for no spell to cast over nature."
Jacob Bronowski (1908-74), British scientist.


Fusão Nuclear

A teoria por trás da fusão nuclear é bastante simples, o difícil mesmo é conseguir gerar e domar tamanhas energias.

Nos reatores de fissão, os átomos de urânio são despedaçados, liberando grandes quantidades de energia - é a temível radioatividade. A fusão de hidrogênio, ou de suas variantes deutério e trítio,produz calor e pouquíssima radioatividade


A fusão acontece quando dois núcleos de átomos leves se juntam para formar um terceiro mais pesado, mas cuja massa é menor do que a soma dos elementos originais. A diferença corresponde à energia liberada. No Sol, por exemplo, se fundem inimagináveis 564 milhões de toneladas de hidrogênio por segundo, dando origem a 560 milhões de toneladas de hélio, numa temperatura de 20 milhões de graus e sob uma pressão 100 bilhões de vezes maior do que a pressão atmosférica. Nessa colossal fornalha, os 4 milhões de toneladas de hidrogênio que não viraram hélio viraram energia - graças à qual o homem existe e tenta reproduzir o processo.

Para fazer isso, os cientistas pensaram construir uma espécie de forno com as mesmas características das estrelas. Normalmente, os núcleos dos átomos se repelem porque têm carga elétrica do mesmo sinal. Para que a fusão possa ocorrer, é preciso aproximar os núcleos a distâncias tão ínfimas, a tal ponto que as forças de atração superem as de repulsão. Descobriu-se que os candidatos naturais para esse casamento são os isótopos (ou variedades) de hidrogênio, como o deutério (com um próton e um nêutron no núcleo). Usando a força bruta, ou seja, aquecendo as partículas de matéria a milhões de graus e em altas densidades, os pesquisadores fazem com que tais isótopos se transformem numa mistura de elétrons livres e núcleos de átomos. É o plasma, nem líquido, nem sólido, nem gás: o quarto estado da matéria.

Nesse estado meio fantasmagórico, as partículas colidem umas com as outras em velocidades altíssimas até que, em razão dos choques, acabam por unir-se, produzindo núcleos mais pesados, algumas partículas soltas - e, o mais importante, grandes quantidades de energia. Assim, pode resultar da colisão hélio 3 (formado por dois prótons e um nêutron) mais um nêutron excedente; ou trítio ( um próton e dois nêutrons), mais um próton excedente. É raro, mas também pode acontecer que a fusão produza hélio 4 (dois prótons e dois nêutrons) e mais energia .

Em 1945, o físico húngaro naturalizado americano Edward Teller sugeriu que se usasse a bomba atômica recém-inventada como espoleta para desencadear a fusão nuclear, pois a força de sua explosão forneceria as temperaturas e pressões necessárias.

A idéia seria posta em prática alguns anos depois. No dia 1 de novembro de 1952, de fato, os americanos detonaram a primeira bomba de hidrogênio, a bomba H, numa ilha do oceano Pacífico. Provou-se assim que a fusão na Terra era possível, mas, para que ela tivesse outra finalidade que não acabar com a vida na Terra, teria de ser controlada.

No entanto, para a construção de qualquer reator que produzisse energia pela fusão de hidrogênio, as condições pareciam proibitivas: seria preciso investir inicialmente uma quantidade de energia seis vezes superior à temperatura do interior do Sol, para compensar a diferença de pressão. Em cada centímetro cúbico desse reator deveriam existir no mínimo 100 trilhões de partículas que, devido ao calor, estariam sob forte pressão. A energia contida nesse gás teria de se manter durante pelo menos um segundo. A única facilidade seria o combustível. Afinal, em cada metro cúbico de água do mar há 33 gramas de deutério, o primo pesado do hidrogênio. Mas qualquer material que entrasse em contato com o plasma, à temperatura de centenas de milhões de graus, acabaria derretido. Por isso se pensou usar como recipiente uma estranha gaiola magnética que impedisse o gás de se aproximar da parede metálica do reator.

Com as pesquisas chegaram a um aparelho formado por tubo metálico fechado na forma de uma câmara de pneu - ou toróide, em linguagem científica. À sua volta existe um enrolamento. Percorrido por uma corrente elétrica, nele surge um poderoso campo magnético que envolve o plasma como as cascas de uma cebola. Existe também outro campo magnético vertical para colocar o plasma mais corretamente. Nos aparelhos experimentais, como o que existe na Universidade de São Paulo, conseguiu-se temperaturas de até 5 milhões de graus. O recorde mundial de temperatura obtido até agora são os 200 milhões de graus do tokamak da Universidade de Princeton.

As experiências com fusão nuclear mais promissoras, além das que usam o confinamento magnético, são as que se baseiam no laser, cujo raio luminoso concentra num pequeno ponto grandes quantidades de energia. É algo extremamente sofisticado. As experiências realizadas no Laboratório Nacional Lawrence Livermore, da Califórnia, fazem parte das pesquisas ligadas ao criticado projeto Guerra nas Estrelas e são, por isso, secretas. Outros testes são feitos no Japão. Sabe-se que átomos de deutério e trítio solidificados são feitos no Japão. Sabe-se que átomos de deutério e trítio solidificados são aprisionados em incríveis esferas ocas de metal de milésimos de milímetro de diâmetro, confinadas numa câmara de vácuo. Em seguida, os átomos são submetidos a um fogo cruzado de 20 feixes de 100 trilhões de watts de laser durante 1 bilionésimo de segundo. Atingidas por todos os lados pelo bombardeio, as bolinhas se aquecem tanto que se comprimem até fundirem. Só que, como no caso dos tokamaks, não se conseguiu obter mais energia do que a aplicada no processo.

Outra tentativa original consiste em reduzir a temperatura em que a fusão ocorre, usando partículas atômicas chamadas múons, que se formam naturalmente pela ação dos raios cósmicos ou nos aceleradores de partículas dos laboratórios. Quando se bombardeia uma mistura de deutério e trítio com múons, eles tendem a substituir os elétrons em volta dos átomos. Mas, como são 207 vezes mais pesados, giram tão próximos do núcleo que fazem o átomo original literalmente encolher. Isso leva os núcleos a se aproximar tanto que podem se fundir. Então, os múons ficam novamente livres e o ciclo recomeça.



Por modestas que sejam as esperanças de chegar à fusão, estima-se que ainda vai demorar 30 anos para termos um reator comercial, e por mais caras que sejam as pesquisas, as vantagens da fusão são sedutoras:

Segundo todos os cálculos, as futuras usinas de fusão nuclear poderão extrair de 1 metro cúbico de água uma quantidade de energia igual à de 2 mil barris de petróleo.

Não produz radioatividade; portanto, sem o lixo atômico das usinas nucleares.

Não produz dióxido de carbono, como os combustíveis fósseis que envenenam o clima da Terra.

Não tem perigo de fugir do controle como as usinas de fusão, se algo der errado, simplesmente o reator para de funcionar.


Esse é o Iter (International Thermonuclear Experimental Reactor), reator considerado como protótipo dos reatores comerciais, ficará pronto no início do próximo século. Tem 30 metros de altura e de raio. A propósito, não sei se deu para ver, mas tem um homem no canto inferior direito da figura...

cumpts
hell

Usando o Átomo para produzir energia

A energia nuclear provém da fissão
nuclear do urânio, do plutônio ou do tório
ou da fusão nuclear do hidrogênio.
Atualmente utiliza-se quase somente o
urânio. O fator básico é que da fissão de
um átomo de urânio são produzidos 10
milhões de vezes a energia produzida
pela combustão de um átomo de
carbono do carvão ou do petróleo.
Como se vê a energia nuclear é uma
forma de energia bastante concentrada.

A Energia Nuclear

Em 16 de julho de 1945, ocorreu em Alamogordo, no estado americano de Nevada, o primeiro teste de uma bomba nuclear. A experiência prenunciou as explosões que destruiriam grande parte das cidades japonesas de Hiroxima e Nagasaki em 6 e 9 de agosto do mesmo ano. O fundamento físico de tais explosões, a energia nuclear, encontrou mais tarde vasto campo de aplicações pacíficas.
A energia nuclear é a que se obtém por processos de transformação de núcleos atômicos em outros, mediante mecanismos de fissão de núcleos pesados em fragmentos menores, ou de fusão de núcleos leves em outros maiores.
História. Logo depois de anunciada a descoberta da fissão nuclear, em 1939, também se observou que o isótopo fissionável que participa da reação é o urânio-238 e que se emitem nêutrons no processo. Especulava-se na época que uma reação de fissão em cadeia poderia ser explorada como fonte de energia. No entanto, ao iniciar-se a segunda guerra mundial, em setembro de 1939, os físicos voltaram suas pesquisas para tentar usar a reação em cadeia para produzir uma bomba.
No início de 1940, o governo americano destinou recursos para uma pesquisa que mais tarde se transformou no Projeto Manhattan. Esse projeto incluía trabalhos sobre enriquecimento de urânio para obter urânio-235 em altas concentrações e também pesquisas para o desenvolvimento de reatores nucleares. Eram dois os objetivos: compreender melhor a reação em cadeia para projetar uma bomba nuclear e desenvolver uma forma de produzir um novo elemento químico, o plutônio, que, segundo se acreditava, seria físsil e poderia ser isolado quimicamente a partir do urânio.
O primeiro reator nuclear foi construído na Universidade de Chicago, sob a supervisão do físico italiano Enrico Fermi. O equipamento produziu uma reação em cadeia em 2 de dezembro de 1942. Imediatamente após a segunda guerra mundial, cientistas e engenheiros de vários outros países empreenderam pesquisas destinadas a desenvolver reatores nucleares para a produção de energia em larga escala. Em 1956, o Reino Unido inaugurou em Calder Hall a primeira usina nuclear totalmente comercial. Um ano depois, entrou em operação a primeira usina americana desse tipo.
O número de grandes usinas nucleares aumentou rapidamente em muitos países industrializados até o final da década de 1970. Depois disso, houve uma significativa redução no ritmo de utilização da energia nuclear para fins comerciais, por diversas razões: a demanda de energia elétrica ficou muito abaixo do que se esperava; o custo de construção de novas usinas nucleares era alto; a opinião pública pressionava contra a construção de usinas, principalmente depois dos catastróficos acidentes ocorridos na usina de Three Mile Island, nos Estados Unidos, e em Tchernóbil, na Ucrânia, então parte da União Soviética. Entretanto, França, Japão, Coréia do Sul e Tailândia, que dispõem de poucas alternativas energéticas, continuaram a usar a energia nuclear.
Reações Nucleares.

Três tipos de reações nucleares produzem grandes quantidades de energia:

(1) a desintegração radioativa, processo segundo o qual um núcleo se converte espontaneamente no núcleo de outro isótopo ou elemento;

(2) a fissão nuclear, pela qual um núcleo pesado se divide em dois outros e libera a energia neles contida;

(3) a fusão nuclear, segundo a qual dois núcleos atômicos leves, submetidos a temperaturas elevadíssimas, reagem para formar um único núcleo, de peso maior.

Todos os reatores nucleares produzem energia a partir da reação de fissão, mas os cientistas acreditam que a fusão nuclear controlada pode originar uma fonte de energia alternativa relativamente barata de geração de eletricidade, o que ajudaria a conservar o suprimento de combustíveis fósseis do planeta, em rápido esgotamento.
Produção de energia nuclear. No processo de fissão, um núcleo pesado, como o urânio, absorve um nêutron e se divide em dois fragmentos de massa aproximadamente idêntica. A reação libera grande quantidade de energia, assim como muitos nêutrons, que colidem com outros núcleos pesados e provocam sua fissão. A repetição desse processo gera uma reação em cadeia na qual vários bilhões de núcleos são fissionados numa pequena fração de segundos.
Num reator nuclear, essa série de fissões é cuidadosamente controlada, o que permite utilizar a enorme quantidade de energia liberada, que ocorre em forma de radiação e de energia cinética dos produtos da fissão lançados a altas velocidades. Boa parte dela se transforma em energia térmica quando os produtos da fissão entram em repouso. Uma porção dessa energia é usada para aquecer água e convertê-la em vapor de alta pressão, que faz funcionar uma turbina. A energia mecânica da turbina é então convertida em eletricidade por um gerador.
Além de valiosa fonte de energia elétrica para uso comercial, os reatores nucleares também servem para impelir alguns tipos de navios militares, submarinos e certas naves espaciais não-tripuladas. Outra importante aplicação dos reatores é a produção de isótopos radioativos, amplamente usados na pesquisa científica, na terapêutica e na indústria. Os isótopos são criados pelo bombardeamento de substâncias não-radioativas com os nêutrons liberados durante a fissão.

Combustível

O único material presente na natureza pronto para ser fissionado e capaz de manter uma reação em cadeia é o urânio-235. É um isótopo raro: no urânio natural, ocorre na proporção de um para aproximadamente 140 de outro isótopo, o urânio-238. Quando um nêutron lento colide com o núcleo do átomo de urânio-235, ele se torna repentinamente instável, divide-se em dois fragmentos e libera em média dois a três nêutrons. Desses nêutrons, ao menos um deve produzir outra fissão, caso se pretenda que a reação em cadeia continue. Isso é muito difícil de conseguir com o urânio natural, porque sua concentração de núcleos de urânio-235 é tão pequena que os nêutrons podem escapar do combustível nuclear sem colidir com o núcleo fissionável, ou podem se chocar com o núcleo do urânio-238 e serem absorvidos.
Para reduzir essa possibilidade, usa-se como combustível do reator o urânio enriquecido, que contém uma percentagem maior de urânio-235 do que o urânio natural. O enriquecimento se obtém por vários processos, como, por exemplo, difusão gasosa. Como os recursos de urânio-235 existentes no mundo são limitados, projetaram-se reatores regeneradores capazes de converter urânio não-fissionável e outros elementos em isótopos fissionáveis.

Moderadores

A maioria dos reatores comerciais de potência requer um moderador para reduzir a velocidade dos nêutrons, de forma a aumentar a possibilidade de que eles consigam fissionar o urânio-235. Substâncias como a água, o óxido de deutério (água pesada) e a grafita foram consideradas moderadores eficazes porque conseguem reduzir a velocidade dos nêutrons durante o processo de fissão sem reduzir muito seu número por absorção.
Barras de controle. O controle sobre a taxa de emissão de nêutrons, e portanto sobre a reação, se faz mediante a introdução no núcleo dos reatores de materiais que absorvem os nêutrons. Esses materiais, que podem ser barras de cádmio ou boro, são retirados gradualmente do núcleo do reator antes que uma reação em cadeia se inicie. Elas são reintroduzidas sempre que a série de fissões começa a se realizar a alta velocidade, o que poderia resultar na liberação de uma quantidade excessiva de energia e radiação, causando assim a fusão do núcleo.

Refrigerantes

O calor liberado pelas fissões é removido do núcleo do reator por uma substância refrigerante, que pode ser líquida ou gasosa. Os refrigerantes devem ter boas propriedades de transferência de calor, assim como fraca propriedade de absorver nêutrons. Tanto a água leve (comum) quanto a pesada são empregadas como refrigerantes, o que ocorre também com metais líquidos (sódio, por exemplo), hélio e várias outras substâncias.
Estrutura de contenção. À medida que a reação em cadeia prossegue, os produtos da fissão se acumulam no núcleo do reator. A maioria desses fragmentos é altamente radioativa e emite raios gama e nêutrons. Para proteger os operadores da usina e outras pessoas próximas da radiação desses fragmentos, e da radiação produzida diretamente pelo processo de fissão, o reator é cercado por paredes e um piso de concreto bastante espesso, que constituem a estrutura de contenção.

Rejeitos

O manipulação dos produtos radioativos da fissão é um problema mais difícil de resolver do que a contenção do núcleo do reator. Alguns desses resíduos nucleares se mantêm perigosamente radioativos por milhares de anos e, portanto, devem ser eliminados ou armazenados de forma permanente. Ainda não foi descoberto, no entanto, um método prático e seguro de tratamento desses resíduos.

Segurança

Como acontece a toda atividade humana, a produção de energia nuclear não pode ser considerada absolutamente isenta de riscos. As medidas preventivas visam, portanto, minimizar o risco de acidentes. Estudos realizados nos Estados Unidos na década de 1970 concluíram que era extremamente baixo o risco de um acidente numa usina nuclear atingir grande número de pessoas. Em 1979, porém, uma unidade da usina de Three Mile Island sofreu um grave acidente. Por uma combinação de erros de operadores da usina, associados à falha de uma válvula, a água refrigerante se perdeu e algumas partes do núcleo do reator fundiram. Grande quantidade de produtos de fissão foi liberada do reator para o interior da estrutura de contenção, que conseguiu reter a maior parte da radioatividade. A pequena quantidade que escapou teve sérias conseqüências.
Após as investigações, ficou claro que o elemento humano é muito mais importante como fator de segurança numa usina nuclear do que se havia reconhecido até então. Por essa razão, foram introduzidas várias mudanças no treinamento de operadores, técnicos e inspetores. Essas mudanças foram consideradas eficazes para reduzir a probabilidade de ocorrência de acidentes graves quanto o de Three Mile Island, mas aumentaram sensivelmente os custos de operação das usinas nucleares.
A questão da importância do elemento humano para o correto funcionamento das usinas nucleares voltou a ser debatida após a catástrofe de Tchernóbil, em 1986. Um dos quatro reatores da usina explodiu e pegou fogo. Antes que a situação pudesse ser controlada, 31 pessoas haviam morrido. Aproximadamente 25% do conteúdo radioativo do reator vazou, 135.000 pessoas tiveram que ser evacuadas do local e uma imensa área na vizinhança da usina foi de tal forma contaminada pela radioatividade que não pode mais ser cultivada. Na época, estimou-se que de quatro mil a quarenta mil casos de câncer resultariam desse acidente.
cumpts
hell

Energia Nuclear - Vantagens e Desvantagens

Energia Nuclear - Vantagens e Desvantagens​

Como todos sabemos, a energia nuclear é uma das alternativas energéticas mais debatidas no mundo: comenta-se, entre outros tópicos, se valerá a pena implementar centrais de produção nuclear ou se devemos apostar noutro tipo de energias que sejam renováveis, pois como sabemos a energia nuclear não é renovável, uma vez que a sua matéria-prima são elementos químicos, como o urânio, extraídos de minerais (no caso do urânio, um dos minerais utilizados é a autonite).

Apresentamos aqui algumas vantagens e desvantagens:

Vantagens:
- não contribui para o efeito de estufa (principal);
- não polui o ar com gases de enxofre, nitrogénio, particulados, etc.;
- não utiliza grandes áreas de terreno: a central requer pequenos espaços para sua instalação;
- não depende da sazonalidade climática (nem das chuvas, nem dos ventos);
- pouco ou quase nenhum impacto sobre a biosfera;
- grande disponibilidade de combustível;
- é a fonte mais concentrada de geração de energia
- a quantidade de resíduos radioactivos gerados é extremamente pequena e compacta;
- a tecnologia do processo é bastante conhecida;
- o risco de transporte do combustível é significativamente menor quando comparado ao gás e ao óleo das termoelétricas;
- não necessita de armazenamento da energia produzida em baterias;

Desvantagens:
- necessidade de armazenar o resíduo nuclear em locais isolados e protegidos*;
- necessidade de isolar a central após o seu encerramento;
- é mais cara quando comparada às demais fontes de energia;
- os resíduos produzidos emitem radiactividade durante muitos anos;
- dificuldades no armazenamento dos resíduos, principalmente em questões de localização e segurança;
- pode interferir com ecossistemas;
- grande risco de acidente na central nuclear.

* esta desvantagem provavelmente durará pelo menos uns 30 anos, a partir de quando já se esperam desenvolvidas tecnolgias para reciclagem e reaproveitamento dos resíduos radioactivos.

Observação:
- ao contrário do que muita gente pensa, a energia nuclear não é uma energia suja;

- os impactos ambientais causados pela deposição do resíduo radioactivo não são muito maiores que os impactes do lago de uma hidroeléctrica.

O que é a Energia Nuclear?

Na Terra, a radioactividade encontra-se presente desde a sua formação, podendo ser encontrados na natureza mais de 60 radionuclidos (formas instáveis do núcleo), que podem ser agrupados do seguinte modo:


Primordiais (existentes desde a formação da terra)
Cosmogénicos (resultam de interacções com os raios cósmicos)
Antrogénicos (originados pela acção humana)


Segundo Harrisson, a radioactividade pode ter origem natural (como por exemplo a radiação cósmica, radiação na comida e água) e origem antrópica (medicina, acidentes em reactores nucleares).


No século XX, Rutererford e Soddy propuseram que a emissão de partículas pelos átomos provinha da desintegração espontânea de átomos radioactivos, que se transformavam num novo elemento, o que veio contrariar a tese da indestructibilidade do átomo.

Efectivamente, a radioactividade é um fenómeno que ocorre quando o coração de um átomo - o seu núcleo – muda espontâneamente de natureza (desintegra-se), emitindo assim partículas de radiação ionizante.

A energia nuclear é a energia libertada durante a fusão ou fissão do núcleo atómico. A quantidade de energia que pode ser obtida através destes processos excede largamente aquela que pode ser obtida através de processos químicos que envolvem apenas as regiões externas dos núcleos, ou seja, envolvem apenas as ligações intermoleculares e não as intramoleculares.

Na fissão (fig.1-a), um átomo de um elemento é dividido produzindo dois átomos de menores dimensões de elementos diferentes.

Na fusão (fig.1-b), dois átomos de pequenas dimensões combinam-se originando um átomo de maiores dimensões, constituindo um elemento diferente.

Fig.1- Fissão (a) e fusão (b) nuclear.

(foto in Environmental Science, seventh edition)



Em ambos os processos, a massa dos productos (elementos finais) é inferior à massa dos elementos iniciais, sendo a diferença convertida em energia.

A fissão de 1 Kg de urânio 235 liberta uma média de 2,5 neutrões por cada núcleo dividido. Por sua vez, estes neutrões vão rapidamente causar a fissão de mais átomos, que irão libertar mais neutrões e assim sucessivamente, iniciando uma auto-sustentada série de fissões nucleares, que se dá o nome de reacção em cadeia, que resulta na libertação contínua de energia.

O potêncial, quer da fissão, quer da fusão, é tão grande que da reacção espontânea deste mesmo 1 Kg de material, resulta a devastosa explosão de energia de uma bomba atómica.

O ritmo de desintegração é mais rápido quando há uma grande quantidade de material presente, e o tempo que metade do material leva a desintegrar-se radioactivamente é conhecido por “meia-vida”. Metade do restante material desintegrar-se-á durante outra meia-vida, 50 por cento do restante noutra meia-vida e assim sucessivamente.

Os materiais intensamentes radioactivos tendem a ter meias-vidas curtas, enquanto que os menos radioactivos podem ter meias-vidas de milhares de anos.

Nos reactores nucleares e durante ensaios com armas nucleares são produzidos materiais de meia-vida curta, ou seja, fortemente radioactivos.



Unidades de radioactividade:



A radioactividade é medida pela frequência à qual as desintegrações radioactivas têm lugar na substância.

As unidades que a expressam são Curie (c), rad, Gray (Gy), Sievert (Sv) e Becquerel (Bq).



Formas de radioactividade:


· Radiação: envolve a libertação de partículas alfa, fortemente ionizantes;

· Radiação Beta: forma mais comum de desintegração- um neutrão transforma-se num protão, libertando um electrão, partícula beta, ionizante;

· Radiação Gama: resultado de uma simples alteração da estrutura da energia num núcleo. Caracteriza-se por ser fortemente ionizante;



Portal de Energia Nuclear

Reactores Nucleares: como funcionam?



O grande objectivo das centrais nucleares (fig.3) é controlar reacções nucleares de maneira a que a energia seja libertada gradualmente sob a forma de calor. Assim como as centrais que funcionam com combustíveis fosseis, o calor gerado é usado para ferver água de modo a produzir vapor, que por sua vez faz funcionar turbogeradores convencionais.

Consegue-se assim obter energia eléctrica.

Fig. 3 – Central nuclear em Buchanan, New York.

(foto in Environmental Science, seventh edition)




Funcionamento de um reactor nuclear


- combustível (fig.5): Num reactor nuclear estão combinados o combustível e o emprego de um material moderador. Normalmente utiliza-se urânio como combustível com um conteúdo de cerca de 3 % de U235, quase sempre na forma de dióxido de urânio (U02), que é prensado em forma de grandes pastilhas e que se introduzem em tubos com vários metros de comprimento, fabricados com uma liga especial de zircónio.



- tubos (fig.4): os tubos têm a função de evitar que os productos resultantes da combustão do urânio, em parte gasosos e altamente radioactivos, contaminem o interior do reactor. Estes perigosos resíduos não devem chegar ao líquido refrigerante do reactor, pois em caso de escape para o exterior, iria haver uma contaminação do ambiente.

Fig. 4 – Reactor nuclear

(foto in Environmental Science, seventh edition)


- Material moderador: durante a reacção com urânio 235 libertam-se gigantescas quantidades de neutrões. Este enorme fluxo chega ao moderador que rodeia os módulos de combustível ou até que está misturado em parte com esse, diminuindo-o, e por conseguinte controlando a reacção.

Os melhores moderadores são a água vulgar (H2O), a água pesada, carbono de extrema pureza em forma de grafite e o berílio.

Os moderadores líquidos têm uma função importantíssima, na medida em que actuam como meio refrigerante. Este não só absorve a energia térmica emitida pelo abrandamento dos neutrões, mas também arrefece os módulos de combustível aquecidos pela reacção. Ao falhar a refrigeração (como aconteceu em Chernobyl), pode ocorrer a fundição do núcleo do reactor, destruindo as diversas protecções, podendo o seu conteúdo ser libertado para o exterior. Isto traria consequências desastrosas para o meio ambiente.



- barras de controlo (fig.5): no núcleo do reactor introduzem-se as chamadas barras de controlo, compostas de um material que absorve parte dos neutrões libertados durante a reacção. Retirando e introduzindo as barras, regulam-se as flutuações no desenvolvimento da reacção em cadeia e pode-se conseguir que os módulos de combustível sejam utilizados uniformemente. A função mais importante das barras de controlo é a de fazer cessar as reacções nucleares subitamente em caso de perigo.

Fig. 5 – No núcleo do reactor nuclear estão presentes o combustível nuclear e as barras moderadoras.

(foto in Environmental Science, seventh edition



Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa – Monte da Caparica

Gestão de resíduos nucleares/ acidentes nucleares



Resíduos nucleares:


Enquanto um reactor nuclear vai operando, algum do combustível (urânio) é convertido noutros materiais, que se vão depositando nos elementos combustíveis. O combustível perde então eficiência na produção de calor, e torna-se por isso necessária a sua substituição.

O combustível usado é removido do reactor, arrefecido em água e sujeito a um reprocessamento, onde se geram 3 grupos de materiais:

- urânio, que vai servir novamente de combustível;

- plutónio, utilizado também como combustível e nalguns casos é utilizado como material de armamento;

- lixo nuclear



Tipos de lixo nuclear:



- lixo de alto nível: resíduos que contém productos gerados durante o processo de fissão, intensamente radioactivos. A radioactividade deste resíduo degenera-se com relativa rapidez no início, no entanto continuará perigoso durante muitos milhares de anos devido ao seu conteúdo actinídeo (os materiais actinídeos possuem uma radioactividade menos intensa mas têm uma duração de vida muito longa).

Parte deste lixo funde-se numa massa vítrea ou de carácter rochoso que é fechado em barris estanques. Estes barris são posteriormente armazenados definitivamente em grandes armazéns no subsolo, a grande profundidade.



- lixo de nível intermédio: produzidos em vários processos envolvendo materias

- radioactivos, apresentam menos perigosidade que os resíduos de alto nível.



- lixo de baixo nível: produzidos por hospitais, laboratórios, indústrias e centrais nucleares, podem ser manuseados com alguma precaução. Na Grã-Bertanha, chegaram-se a lançar grandes volumes deste lixo para o mar.


A descarga de lixos radioactivos no ambiente é bastante perigosa porque pode reverter em danos quer para o Homem, quer para as restantes espécies e ecossistemas.

Sabendo disto, assinada em 1972, a Convenção proibiu o despejo de resíduos fortemente radioactivos, antes de pronunciar, em 1983, uma moratória de 10 anos sobre os detritos pouco ou médio radioactivos.

A Convenção Internacional de Londres, que reúne 71 países, votou, em finais de 1993, uma interdição total da imersão de resíduos radioactivos.


Acidentes nucleares


Sellafield
Situada na costa da Cúmbria, era originalmente conhecida como Windscale.

Em 1957 inrrompeu um incêndio num reactor que se encontrava a produzir plutónio para o programa de armamento nuclear britânico. Felizmente para os britânicos (infelizmente para os irlandeses), o vento soprava na direcção do mar, de maneira que boa parte dos materiais radioactivos que o incêndio libertou foi transportada para longe da costa.

No entanto, contaminou extensas áreas de lavoura e consequentemente tiveram de se destruir grandes quantidades de leite produzidos pelos animais que por ali pastavam.

Posteriormente veio-se a descobrir que a contaminação por uma forma de plutónio foi a causa provável se uma série de mortes por cancro.

Os reactores que estavam a produzir plutónio em 1957 estão encerrados, mas Sellafield continua a funcionar, reprocessando combustível nuclear usado. O reprocessamento é uma operação que produz bastantes resíduos, e grandes quantidades de material radioactivo têm sido descarregados para o ambiente. Estima-se que o Mar da Irlanda contenha um quarto de tonelada do plutónio proveniente de Sellafield, havendo igualmente vestígios em grande parte da costa britânica.

Sabe-se também que em Windscale ocorrerram fugas num reservatório contendo lixo radioactivo de baixo nível. Muitos outros acidentes têm ocorrido, sobre os quais, provavelmente nada se saberá.

Existem alternativas ao reprocesamento de certos tipos de combustível usado, mas é mais que certo que Sellafield vai continuar a funcionar por muitos mais anos.



Three Mile Island
Em 1979, voltou a ocorrer um acidente, este na central nuclear em Three Mile Island, na Pensilvânia.

Um erro de manutenção e uma válvula defeituosa estiveram na origem deste acidente causado pela falta de arrefecimento. O reactor foi desligado pelo sistema de segurança aquando da altura do acidente, e o sistema de emergência do centro de arrefecimento começou a operar, como previsto, pouco tempo depois do acidente. No entanto, como resultado de uma falha humana, o sistema de arrefecimento de emergência foi desligado, causando severos danos centrais, libertando assim productos fissionáveis voláteis do reactor.

Poucas quantidades de gases radioactivos escaparam do edifício de contenção, causando um ligeiro aumento nos níveis individuais de exposição humana. Contudo, os danos financeiros foram enormes (na ordem do milhão de dólares).

Também os danos psicológicos causados aos moradores das redondezas da central foram severos, não só pelo susto, como também pelo medo de viver na iminência de um novo acidente imprevisível.



Chernobyl
A 26 de Abril de 1986, na Rússia, uma explosão no reactor nº4 lançou na atmosfera nuvens de material radioactivo que, arrastado pelos ventos a grande parte da Europa do norte, foi precipitando sobre os terrenos por onde passava. O resultado foi a ampla contaminação das cadeias alimentares pelo radionuclido césio-187, material este que é acumulado pelas plantas e extremamente difícil de ser removido dos solos.


A catástrofe ocorreu porque os operadores do complexo, que efectuavam uma experiência, reduziram a potência num dos reactores para um nível inferior aos níveis mínimos de segurança. Além disso desactivaram o sistema que faz a refrigeração do núcleo do reactor em caso de emergência, assim como outros sistemas de segurança. O que aconteceu foi que, ao ocorrerem as reacções de fissão, o reactor começou a aquecer e o vapor produzido não estava a ser libertado, o que contribuiu para um aumento de produção de energia da reacção considerávelmente. Numa tentativa desesperada de cessar a reacção, os trabalhadores inseriram rapidamente as barras de controlo de carbono.

Fig. 8 – Central nuclear de Chernobyl

(foto in Environmental Science, seventh edition)

Estas barras de carbono, funcionando como moderadoras, diminuiram a velocidade dos neutrões estimulando a produção de mais reacções de fissão. O resultado foi um nível de energia instantâneo 100 vezes superior ao nível máximo. Seguiu-se então uma explosão que fez rebentar a blindagem do reactor, o núcleo do reactor fundiu e uma nuvem maciça de material radioctivo foi cuspida para a atmosfera.

A maior parte dos arredores de Chernobyl permanecem seriamente contaminados e o próprio reactor encontra-se fortemente envolto em betão.

O incidente teve uma profunda repercussão na atitude do povo em face à utilização da energia nuclear e despertou as consciências para o que poderá representar um grande desastre nuclear, dadas as dificuldades de conter e avaliar os seus efeitos.

Em Outubro de 1991, um incêndio obriga a desligar o reactor nº2, que não voltou a funcionar.

Em Maio de 1997, o reactor nº1 termina a sua vida útil e é desligado face às pressões internacionais.

Na passada Segunda-feira, dia 27-11-2000, por volta das 4 horas (hora de Lisboa) a central nuclear de Chernobyl teve de fazer uma paragem de emergência devido a uma falha de energia, o que levou as autoridades ucranianas a pensar numa eventual antecipação do seu fecho, previsto apenas para 15 de Dezembro do mesmo ano.

Vadim Grischenko, alto responsável do Ministério ucraniano do Ambiente afirmou: “Poderemos anular a reactivação da central se as reparações a fazer após este incidente forem muito onerosas ou demorarem demasiado tempo”, e interrogou-se ainda “Para quê gastar dinheiro a reparar a central para a fechar dois dias mais tarde?”.

Contudo, Yuri Neretin, engenheiro chefe da central, posto perante a possibilidade da perda dos nove mil postos de trabalho que a central ocupa, garantiu que ela estava operacional no próximo dia 2.

O reactor nº3, único ainda em funcionamento, parou devido à falha de energia eléctrica, o que significa que o sistema de segurança funcionou. Apesar de, segundo empregados da central, ter sido detectada uma fuga no sistema de refrigeração, não se registou qualquer aumento dos níveis de radiação da atmosfera em redor do complexo.

(28 de Novembro 2000. Falha de energia faz parar Chernobyl. Correio da Manhã, 30).


Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa – Monte da Caparica

Impacto Ambiental da Energia Nuclear


Desde a descoberta da radioactividade, que os cientistas se ocupam cada vez mais a evitar acidentes ou prejuízos para a saúde , o que ocorre com alguma freqência nas fases iniciais das investigações.

A opinião pública tem plena consciência do perigo que podem representar as radiações radioactivas, mas muito pouca gente sabe que a exposição à radiação é absolutamente natural, que faz parte do nosso cotidiano, e que existem mecanismos de defesas naturais que o nosso sistema imunitário possui, mas que também tem limites.



Efeitos das Radiações

Os efeitos da radioactividade nos seres vivos manifestam-se a dois níveis:

- nível somático, cuja expressão máxima é a morte;

- nível genético, responsável pelo aumento de mutações cromossómicas, podendo originar aberrações genéticas nas gerações posteriores.


Estes efeitos estão dependentes essencialmente da natureza da radiação do radionuclido, do seu tempo de vida, da quantidade assimilada e dos orgãos onde esta é acumulada. Tal como variam os efeitos dos vários tipos de radiação, também variam a sua capacidade de penetração nos tecidos.

Os neutrões e os raios gama são os que podem alcançar o interior do nosso corpo e são justamente esses dois tipos de radiações que se libertam em explosões nucleares ou em caso de acidente nos reactores.

As partículas a e b só são prejudiciais se entrarem directamente no organismo, por via da alimentação ou pelo ar que respiramos.


Quando uma radiação incide num tecido biológico, altera as características químicas das moléculas destes tecidos, formando-se radicais intracelulares que, ou matam a célula, ou originam divisões não controláveis.

No primeiro caso, o organismo elimina e substitui as células mortas, mas no segundo caso, geralmente formam-se tumores malignos.

Por estas razões são muito perigosas as consequências das explosões nucleares. O pó radioactivo extremamente fino, com facilidade pode introduzir-se nos nossos corpos e aí se acumular.

Realizam-se investigações consecutivas sobre a possível relação entre certas doenças, em particular as do tipo cancerígeno, e a exposição à radioactividade, no entanto, surgem suspeitas sobre possíveis manipulações da informação, dada a complexidade do tema. Por vezes têm-se a sensação de que as investigações levam aos resultados que convêm a quem os realiza, especialmente nos trabalhos que devem provar a perigosidade, ou não, da utilização da energia nuclear.

Na realidade, as centrais térmicas convencionais têm uma maior incidência nas condições de vida à sua volta, devido às emanações gasosas e à radiação térmica, do que uma central nuclear em funcionamento normal. Mas há relatórios que indicam um aumento de casos de leucemia infantil entre a população que vive perto de uma central nuclear.




Fig. 11 – Central nuclear (em baixo) Vs central térmica (em cima)

(foto in Environmental Science, seventh edition)


Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa – Monte da Caparica

Urânio enriquecido


Este tipo de energia (energia nuclear) é obtido a partir da fissão do núcleo do átomo de urânio enriquecido, liberando uma grande quantidade de energia.

Urânio enriquecido - o que é isto?
Sabemos que o átomo de urânio é constituído de um núcleo onde estão situados dois tipos de partículas: os prótons que possuem cargas positivas e os nêutrons que não possuem carga.

Em torno do núcleo, há uma região denominada eletrosfera, onde se encontram os elétrons que têm cargas negativas. Átomos do mesmo elemento químico, que possuem o mesmo número de prótons e diferentes número de nêutrons são chamados isótopos. O urânio possui dois isótopos: 235U e 238U. O 235U é o único capaz de sofrer fissão. Na natureza só é possível encontrar 0,7 % deste tipo de isótropo. Para ser usado como combustível em uma usina, é necessário enriquecer o urânio natural. Um dos métodos é “filtrar” o urânio através de membranas muito finas. O 235U é mais leve e atravessa a membrana primeiro do que o 238U. Esta operação tem que ser repetida várias vezes e é um processo muito caro e complexo. Poucos países possuem esta tecnologia para escala industrial.

Figura 2- Diagrama do reator de uma Central Nuclear​

O urânio é colocado em cilindros metálicos no núcleo do reator que é constituído de um material moderador (geralmente grafite) para diminuir a velocidade dos nêutrons emitidos pelo urânio em desintegração, permitindo as reações em cadeia. O resfriamento do reator do núcleo é realizado através de líquido ou gás que circula através de tubos, pelo seu interior. Este calor retirado é transferido para uma segunda tubulação onde circula água. Por aquecimento esta água se transforma em vapor (a temperatura chega a 320oC) que vai movimentar as pás das turbinas que movimentarão o gerador, produzindo eletricidade.

Deutério ultradenso pode gerar energia nuclear sem lixo radioativo



A foto mostra um experimento no qual o deutério ultradenso é irradiado por umlaser. O brilho esbranquiçado no invólucro no centro da imagem é emitido pelo deutério.[Imagem: Leif Holmlid]
Um material que é milhares de vezes mais pesado do que a água e com uma densidade maior do que a do núcleo do Sol está sendo visto como a base para um novo processo de geração de energia que é mais sustentável e menos agressivo ao meio ambiente do que as usinas atômicas usadas hoje e mesmo daquelas apenas projetadas para o futuro.
O novo material está sendo chamado de deutério ultradenso, uma variação do isótopo do hidrogênio. Ele é tão pesado que um cubo de 10 centímetros de lado feito com ele pesaria 130 toneladas. Os cientistas acreditam que esse material esteja presente na formação das estrelas e no núcleo de planetas gigantes, como Júpiter.
Fusão nuclear a laser
Por enquanto, os pesquisadores da Universidade de Gotemburgo, na Suécia, conseguiram produzir apenas quantidades microscópicas do deutério ultradenso, mas o suficiente para demonstrar que a distância entre os seus átomos é maior do que na matéria comum.
"O deutério ultradenso pode ser um combustível muito eficiente na fusão nuclear a laser. É possível fazer a fusão entre núcleos de deutério usando lasers de alta potência, liberando enormes quantidades de energia", disse Leif Holmlid, um dos participantes da pesquisa.
As novas tecnologias de fusão nuclear a laser têm sido testadas em deutério congelado, ou "gelo de deutério, mas os resultados não têm sido animadores. A maior dificuldade é comprimir o gelo de deutério o suficiente para atingir a alta temperatura necessária para iniciar o processo de fusão.
Deutério ultradenso
O deutério comum, também chamado de hidrogênio pesado, é encontrado em grandes quantidades na água e vem sendo usado em reatores nucleares convencionais na forma de água pesada (D2O). Ele é a fonte para a produção do novo tipo de deutério.
O deutério ultradenso é 1 milhão de vezes mais denso do que o deutério congelado, o que tornaria mais fácil criar uma reação de fusão nuclear por meio de pulsos de laser de alta potência.
"Se pudermos produzir grandes quantidades de deutério ultradenso, o processo de fusão poderá se tornar a fonte de energia do futuro. E isto poderá estar disponível muito mais cedo do que se pensa", disse Holmlid.
Energia nuclear sem radioatividade
O cientista estima ser possível, em alguns anos, modelar a fusão do deutério ultradenso de modo que a reação produza apenas hélio e hidrogênio, elementos que não oferecem riscos ao ambiente.
"Com isso, não seria preciso lidar com o altamente radioativo trítio [isótopo do hidrogênio com dois nêutrons e um próton], que se planeja usar nos reatores de fusão nuclear de próxima geração. E isso significa que a fusão nuclear a laser, como nós a vislumbramos, seria uma alternativa mais sustentável e menos danosa ao ambiente do que outras tecnologias atualmente em desenvolvimento", afirmou.

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