Usando o Átomo para Produzir Energia (Fissão Nuclear)

Usando o Átomo para Produzir Energia (Fissão Nuclear)

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.


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.


Fonte:
http://www.geocities.com/CapeCanaveral/5534/newpage11.htm

Leia também! Assuntos relevantes