Como funciona uma usina nuclear?

Em Tecnologias inovadoras por André M. Coelho

A energia atômica teve uma história mista no meio século desde que a primeira usina nuclear comercial do mundo foi aberta em Calder Hall (agora Sellafield) em Cumbria, Inglaterra, em 1956. Desde então, enormes quantidades de energia mundial foram produzidas a partir de átomos, mas em meio a enorme controvérsia.

Algumas pessoas acreditam que a energia nuclear é uma forma vital de combater as alterações climáticas; outros insistem que é sujo, perigoso, antieconómico e desnecessário. De qualquer maneira, ajuda se você entender o que é energia nuclear e como ela funciona – então vamos esquecer a política por um momento e dar uma olhada mais de perto na ciência.

O que é energia atômica?

Não é imediatamente óbvio, mas prédios altos armazenam energia – energia potencial. Você tem que trabalhar duro para levantar tijolos e outros materiais de construção do chão para a posição correta e, contanto que eles permaneçam onde você os coloca, eles podem armazenar essa energia indefinidamente. Mas um edifício alto e instável tende a desmoronar mais cedo ou mais tarde e, quando o faz, os materiais de onde foi construído desmoronam no chão, liberando sua energia potencial armazenada como calor, som e energia cinética. tijolos podem cair na sua cabeça!).

Átomos (os blocos de construção da matéria) são praticamente os mesmos. Alguns átomos grandes são muito estáveis e muito felizes de permanecer, pois são praticamente para sempre. Mas outros átomos existem em formas instáveis chamadas isótopos radioativos. Eles são equivalentes atômicos de edifícios antigos e vacilantes: mais cedo ou mais tarde, eles estão prestes a desmoronar, dividindo-se em pedaços como um grande prédio caindo no chão e liberando energia no caminho.

Quando átomos grandes se dividem em um ou mais átomos menores, emitindo outras partículas e energia no processo, chamamos isso de fissão nuclear. Isso porque a parte central do átomo (o núcleo) é o que quebra e a fissão é outra palavra para se separar. A fissão nuclear pode acontecer espontaneamente, no caso de o chamarmos de decaimento radioativo (a conversão de isótopos radioativos instáveis em átomos estáveis que não são radioativos). Também pode acontecer com a demanda – que é como obtemos energia de átomos em usinas nucleares. Esse tipo de fissão é chamado de reação nuclear.

Quanta energia um átomo pode produzir?

Uma quantidade surpreendentemente grande! Foi isso que o físico Albert Einstein quis dizer quando escreveu essa simples e agora famosa equação:

E = MC²

Se E é energia, m é massa (a palavra científica para o material comum ao nosso redor) e c é a velocidade da luz, a equação de Einstein diz que você pode transformar uma pequena quantidade de massa em uma enorme quantidade de energia. Por quê? Olhando para a matemática, c é um número realmente grande (300.000.000), então c2 é ainda maior: 90.000.000.000.000.000. Isso é quantos joules (a medida padrão de energia) você obteria de um quilo de massa.

Teoricamente, se você pudesse transformar cerca de sete bilhões de átomos de hidrogênio em energia, você obteria cerca de um joule (o que representa uma quantidade de energia equivalente a uma lâmpada de 10 watts consome em um décimo de segundo). Lembre-se, porém, estes são apenas palpites, números calculados. O único ponto que realmente precisamos notar é o seguinte: como há bilhões e bilhões de átomos até mesmo em uma minúscula especificação de matéria, deveria ser possível fazer muita energia de não muito em absoluto. Essa é a ideia básica por trás da energia nuclear.

Na prática, as usinas nucleares não funcionam obliterando completamente os átomos; em vez disso, eles dividem átomos muito grandes em átomos menores, mais fortemente ligados e mais estáveis. Isso libera energia no processo – energia que podemos aproveitar. De acordo com uma regra básica da física chamada lei da conservação de energia, a energia liberada em uma reação de fissão nuclear é igual à massa total do átomo original (e toda a energia que o mantém unida) menos a massa total dos átomos se divide (e toda a energia que os mantém juntos). Para uma explicação mais detalhada de por que as reações nucleares liberam energia e quanto elas podem liberar, veja a energia de ligação do artigo na Hyperphysics.

O que é uma reação em cadeia?

E se você pudesse fazer vários átomos se dividirem um após o outro? Em teoria, você pode fazer com que liberem uma enorme quantidade de energia. Se quebrar bilhões de átomos soa como um aborrecimento real (como quebrar bilhões de ovos para fazer uma omelete), há mais uma coisa útil que ajuda: alguns isótopos radioativos vão se dividir automaticamente no que é chamado de reação em cadeia, produzindo energia para praticamente o tempo que você quiser.

Suponha que você tome um átomo realmente pesado – um tipo estável de urânio chamado urânio-235. Cada um dos seus átomos tem um núcleo com 92 prótons e 143 nêutrons. Disparar um nêutron no urânio-235 e transformá-lo em urânio-236: uma versão instável do mesmo átomo (um isótopo radioativo do urânio) com 92 prótons e 144 nêutrons (lembre-se de que você disparou um extra). O urânio-236 é instável demais para ficar por muito tempo, então ele se divide em dois átomos muito menores, o bário e o criptônio, liberando bastante energia e disparando três nêutrons de reserva ao mesmo tempo.

Agora, o mais brilhante é que os nêutrons de reserva podem colidir com outros átomos de urânio-235, fazendo com que também se dividam. E quando cada um desses átomos se divide, também produzirá nêutrons de reserva. Assim, uma única fissão de um único átomo de urânio 235 rapidamente se torna uma reação em cadeia – uma avalanche nuclear descontrolada que libera uma enorme quantidade de energia na forma de calor.

Uma usina nuclear é um dos tipos mais limpos de energia que existem, mesmo com os riscos. (Foto: The Times)

O que é uma usina nuclear? Qual a diferença para uma bomba nuclear?

Em uma bomba nuclear, a reação em cadeia não é controlada, e é isso que torna as armas nucleares tão terrivelmente destrutivas. Toda a reação em cadeia acontece em uma fração de segundo, com um átomo dividido produzindo dois, quatro, oito, dezesseis e assim por diante, liberando uma enorme quantidade de energia em um piscar de olhos.

Nas usinas nucleares, as reações em cadeia são controladas com muito cuidado, de modo que se processam a uma taxa relativamente lenta, apenas o suficiente para se sustentarem, liberando energia de forma muito constante durante um período de muitos anos ou décadas. Não há reação em cadeia descontrolada e descontrolada em uma usina nuclear.

Como funciona uma usina nuclear?

Descobrimos como obter energia de um átomo, mas a energia que temos não é útil: é apenas uma enorme quantidade de calor. Como podemos transformar isso em algo muito mais útil, ou seja, eletricidade? Uma usina nuclear funciona como uma usina convencional, mas produz energia térmica a partir de átomos, em vez de queimar carvão, petróleo, gás ou outro combustível. O calor que produz é usado para ferver água para produzir vapor, que aciona uma ou mais turbinas a vapor gigantes conectadas a geradores – e essas produzem a eletricidade que procuramos. Veja como:

Primeiro, o combustível de urânio é carregado no reator – uma gigantesca cúpula de concreto que é reforçada no caso de explodir. No coração do reator (o núcleo), os átomos se separam e liberam energia térmica, produzindo nêutrons e dividindo outros átomos em uma reação nuclear cuidadosamente controlada.

Varetas de controle feitas de materiais como cádmio e boro podem ser levantadas ou abaixadas no reator para absorver nêutrons e retardar ou acelerar a reação em cadeia.

A água é bombeada através do reator para coletar a energia térmica que a reação em cadeia produz. Ele flui constantemente em torno de um circuito fechado que liga o reator a um trocador de calor.

Dentro do trocador de calor, a água do reator libera sua energia para a água mais fria fluindo em outro circuito fechado, transformando-a em vapor. O uso de dois circuitos de água não conectados e o trocador de calor ajudam a manter a água contaminada com radioatividade contida em um local e longe da maioria dos equipamentos da planta.

O vapor do trocador de calor é canalizado para uma turbina. Quando o vapor passa pelas palhetas da turbina, elas giram em alta velocidade.

A turbina giratória é conectada a um gerador de eletricidade e faz essa rotação também.

O gerador produz eletricidade que flui para a rede elétrica – e para nossas casas, lojas, escritórios e fábricas.

Uma usina nuclear pode explodir como uma bomba nuclear?

Uma razão pela qual muitas pessoas se opõem à energia nuclear é porque acham que as usinas nucleares são como enormes bombas nucleares, apenas esperando para explodir e acabar com a civilização. É verdade que as usinas nucleares e as bombas nucleares são baseadas em reações nucleares nas quais os átomos se separam, mas geralmente é onde a similaridade começa e termina.

Para começar, graus muito diferentes de urânio são usados em usinas de energia e bombas nucleares (algumas bombas usam plutônio, mas isso é outra história). As bombas precisam de urânio-235 extremamente puro (enriquecido), que é feito pela remoção de contaminantes (notavelmente outro isótopo de urânio, urânio-238) do urânio de ocorrência natural. A menos que os contaminantes sejam removidos, eles impedem que ocorra uma reação em cadeia nuclear.

As usinas de energia podem trabalhar com urânio menos purificado, muito mais comum, desde que adicionem outra substância chamada moderador. O moderador, normalmente feito de carbono ou água, efetivamente “converte” o urânio menos puro para permitir que uma reação em cadeia aconteça. (Não vou entrar em detalhes aqui, mas funciona diminuindo os nêutrons para que sejam menos absorvidos por quaisquer impurezas de urânio-238 e tenham uma chance maior de causar fissão no importantíssimo urânio-235.) O que realmente precisa saber sobre o moderador é que ele possibilita uma reação em cadeia em urânio relativamente impuro – e sem isso a reação pára.

Então, o que acontece se a reação dentro de uma usina de energia começar a ficar fora de controle? Se isso acontecer, tanta energia é liberada que o reator superaquece e pode até explodir – mas em uma explosão relativamente pequena, inteiramente convencional, não uma bomba nuclear apocalíptica. Nessa situação, o moderador queima ou derrete, o reator é destruído e a reação nuclear pára; não há reação em cadeia descontrolada.

A pior situação é chamada de fusão: o reator se funde em um líquido, produzindo um globo radioativo quente que cai profundamente no solo, potencialmente contaminando o suprimento de água. A explosão convencional também pode lançar uma nuvem de material radioativo no céu, causando poluição do ar e potencialmente contaminando uma enorme área ao redor.

Existem várias outras diferenças importantes que impedem que as usinas nucleares se transformem em bombas nucleares. Em particular, as bombas nucleares têm que ser montadas de uma maneira muito precisa e detonadas para que elas implodam (empurrando o material nuclear para que ele reaja corretamente). Essas condições não ocorrem em uma usina nuclear.

Um tipo diferente de usina de energia, chamado reator de regeneração rápida, funciona de maneira diferente, produzindo seu próprio combustível de plutônio em um processo autossustentável. Sua reação em cadeia é muito mais próxima do que acontece em uma bomba nuclear e não funciona através de um moderador. É por isso que um reator de regeneração rápida poderia, teoricamente, ficar fora de controle e causar uma explosão nuclear.

Energia nuclear é boa ou ruim?

Há muitas pessoas que apoiam nosso uso da energia nuclear e pelo menos tantas que se opõem a ela. Os defensores dizem que é uma forma menos ambientalmente destrutiva de produzir energia elétrica, porque, em geral, libera menos emissões de gases do efeito estufa (menos gás carbônico) do que a queima de combustíveis como carvão, petróleo e gás natural.

Mas os opositores estão preocupados com o perigoso e duradouro desperdício que as usinas nucleares produzem, o modo como os subprodutos da energia nuclear ajudam as pessoas a construir bombas nucleares e o risco de acidentes nucleares catastróficos. Aqui está um resumo rápido dos prós e contras.

Prós

Uma usina nuclear produzirá de 2 GW a 3 GW de energia – tanto quanto uma grande usina de carvão ou cerca de 1.000 a 1.500 turbinas eólicas de grande porte funcionando a plena capacidade. Ninguém discorda que o nuclear é uma maneira muito eficaz de gerar enormes quantidades de energia.

As usinas nucleares produzem emissões de carbono muito menores do que as usinas de combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás natural).

É muito mais eficiente liberar energia quebrando átomos separadamente do que “queimando-os” (liberando energia através da reação química que chamamos de combustão). É por isso que as usinas nucleares precisam de pequenas quantidades de combustível (comparadas às usinas de combustíveis fósseis).

Usinas nucleares podem ajudar a reduzir a dependência de um país de petróleo importado de regiões instáveis, como o Oriente Médio.
Países sem grandes fontes de combustíveis fósseis consideram o nuclear uma opção atraente.

Contras

Resíduos de usinas nucleares permanecem perigosamente radioativos por muitos anos, por isso é difícil descartar com segurança.

Os subprodutos nucleares podem ser usados para fazer bombas e existe o risco de material nuclear ser adquirido por terroristas.

As usinas nucleares não são formas sustentáveis ou renováveis de energia, porque dependem de reservas de urânio limitadas. Eles não são zero carbono, porque é preciso muita energia para minerar esse urânio.

As usinas nucleares são caras e demoram muitos anos para serem construídas, geralmente em face da feroz oposição pública.

As usinas nucleares podem produzir poluição do ar de longo alcance e poluição da água.

Como as usinas nucleares precisam de grandes quantidades de água de resfriamento, elas geralmente são construídas pela costa – mas isso as torna perigosamente suscetíveis ao aumento do nível do mar e aos tsunamis do terremoto.

No final de sua vida, as usinas nucleares são muito caras para serem desativadas com segurança.

O que você acha? As vantagens superam as desvantagens? Você acha que usinas nucleares deveriam ser mais populares ou menos usadas?

Sobre o autor

Engenheiro eletricista, André sempre foi interessado em novas tecnologias. Na primeira década dos anos 2000, atuou como consultor tecnológico em empresas, ajudando as empresas a escolherem as melhores tecnologias para suas necessidades. Desde então, continuou estudando o assunto e hoje compartilha o que aprendeu e continua aprendendo através do site Tecnologia É.

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