Reatores nucleares

REATORES E CENTRAIS NUCLEARES

ENERGIA DA FISSÃO NUCLEAR

A fissão do núcleo de um átomo pesado pode ser causada por uma colisão com uma partícula neutra, o nêutron. Outras partículas conduzem à fissão, mas o bombardeamento de uma massa físsil com nêutrons é a única maneira prática de obter uma reação em cadeia, uma vez que dois ou três nêutrons são liberados para cada átomo que fissiona.

Quando um nêutron atinge um núcleo fissionável, este se divide em dois (raramente em três ou quatro) núcleos leves, chamados de fragmento de fissão. Os fragmentos de fissão transformam-se em outros isótopos. Estes isótopos, juntamente com os fragmentos de fissão são chamados de produtos de fissão.

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Nessa reação é liberada uma energia de 208 MeV.

1 eV = 1,6·10−19 J

1 kWh = 3,6·106 J

Logo, 1 eV = 4,45·10−26 kWh

A fissão completa de um grama de urânio U-235 fornece energia equivalente à queima de nove toneladas de carvão.

A energia liberada por 1kg de U-235 seria suficiente para abastecer cerca de 3.300 residências durante um ano.

Entretanto, a fissão de todos os núcleos de U-235 que existem numa massa físsil é impossível devido a formação de produtos de fissão que capturam nêutrons. Se o número de nêutrons capturados se torna grande demais, a reação em cadeia não pode mais ser mantida. O combustível fica “envenenado” e só pode ser reutilizado através de um reprocessamento que remova os produtos de fissão.

ENERGIA DOS NÊUTRONS E MODERAÇÃO

Os nêutrons podem ser classificados em: rápidos, intermediários e lentos, conforme a sua energia cinética. A energia cinética mais baixa que um nêutron pode atingir é aquela equivalente a das moléculas do meio em que o nêutron se encontra. Uma vez que estas energias são funções da temperatura do meio, nêutrons nestas condições são chamados de térmicos (uma categoria particular de nêutrons lentos).

Os núcleos de U-233, U-235 e Pu-239 se fissionam com nêutrons de todas as energias, mas a probabilidade de fissão torna-se maior à medida que os nêutrons diminuem a sua energia. Se o Urânio natural (0,7% de U-235 e 99,3% de U-238) for utilizado no caroço de um reator, muitos nêutrons são capturados pelos núcleos de U-238 em reações que não produzem fissão.

Os nêutrons emitidos pelo núcleo dos materiais físseis, ao sofrerem uma reação de fissão, saem com uma alta energia, de valor médio de 2 MeV, podendo alguns atingir até 10 MeV.

Nos reatores térmicos, usamos para produzir novas fissões, os nêutrons que estão com energia correspondente a uma velocidade de 2200 m/s ou 0,025 EV. Assim, os nêutrons devem perder sua energia fora das barras de combustível, para que, ao re-entrar nelas, já venham termalizados. Isso é obtido intercalando-se aos elementos de combustível certas substâncias capazes de diminuir a velocidade dos nêutrons, isto é moderá-los. Uma substância com essa propriedade é chamada  de moderador.

Para se ter um bom moderador é necessário também concentrar o maior número possível de núcleos de moderador num certo volume, a fim de reduzir ao máximo a distância percorrida pelo nêutron até encontrar o núcleo do moderador. Isto impede o uso de gases como moderadores. Os mais usados são a água, água pesada, grafite e Berílio.

CLASSIFICAÇÃO DOS REATORES

Os reatores nucleares são geralmente classificados pelas seguintes categorias:

1. Composição (tipo de moderador, fluido refrigerante, combustível, etc.)
2. Geometria (arranjo de combustível dentro do caroço do reator – homogêneos e heterogêneos)
3. Energia dos nêutrons (rápidos, intermediários ou epitérmicos e térmicos)
4. Ciclo de operação (direto e indireto)
5. Finalidade ou uso

A classificação pela geometria corresponde, basicamente, pelo arranjo do combustível dentro do caroço do reator. Eles serão classificados como:

1. Homogêneos se todos os materiais estão distribuídos uniformemente no volume ocupado pelo caroço do reator. O combustível nesses reatores, em geral, se apresenta na forma de solução aquosa de sais de urânio ou mistura de sais que contém urânio. Poucos reatores homogêneos foram construídos e todos apenas para pesquisa.
2. Heterogêneos se os materiais são distintos no volume ocupado pelo caroço do reator (elementos combustíveis, barras de controle, canais para a passagem de fluídos refrigerantes e estrutura de suporte). O combustível e a barra de controle podem ser colocados na forma de pinos ou placas. Os canais de resfriamento podem ter seção transversal circular, retangular, anular, etc. Este é o tipo de reator mais comum.

Os reatores que operam com nêutrons rápidos (energia acima de 1000 eV) são chamado de Reatores rápidos; aqueles que operam com nêutrons intermediários (de 0,625 eV até 1000 eV) são os Reatores intermediários  e aqueles que operam nêutrons térmicos (abaixo de 0,625 eV) são os Reatores térmicos.

A classificação pelo ciclo de operação considera a maneira pela qual a energia térmica é transferida do reator para o sistema que gera energia elétrica.

No ciclo direto, a energia liberada na fissão aquece o fluido refrigerante, durante a sua passagem pelos canais de resfriamento do caroço do reator, até a ebulição. Na parte superior do caroço esse vapor é enviado, através de tubulação, diretamente para as turbinas que acionam os geradores elétricos. A vantagem desse ciclo é a boa eficiência na conversão de energia térmica em mecânica. A desvantagem é que o vapor que sai diretamente do caroço do reator é ligeiramente radioativo e contamina as turbinas, tornando mais difícil a manutenção deste equipamento. Atualmente, o ciclo direto é usado nos reatores de água fervente (Boiling Water Reactor – BWR).

No ciclo indireto, que é o método mais comum de transferência de energia, é utilizado nos reatores de água pressurizada (Pressurized Water Reactor- PWR). Neste ciclo, o fluido refrigerante escoando pelos canais de resfriamento do caroço do reator (sob certas condições permite-se também a ebulição deste fluido) é enviado para um trocador de calor, onde o calor é transferido para o fluido do circuito secundário, que aciona as turbinas. O circuito secundário não se torna radioativo, uma vez que a água do circuito primário não emite nêutrons e sim raios gama. O ciclo indireto, embora operando com menor eficiência na conversão de energia térmica em mecânica, deixa as turbinas sem contaminação alguma.