A Energia Nuclear

A energia elétrica por fonte nuclear é obtida a partir do calor da reação do combustível (urânio) utilizando o princípio básico de funcionamento de uma usina térmica convencional, que é sempre igual; a queima do combustível produz calor, esse ferve a água de uma caldeira transformando-a em vapor. O vapor movimenta uma turbina que, por sua vez, dá partida a um gerador que produz a eletricidade. Funcionamento de uma usina nuclear (figura: Industrias Nucleares Brasileiras –INB- )

Para entendermos o que vem a ser energia liberada na reação nuclear, é preciso saber um pouco mais sobre o átomo.

Os átomos são mais leves ou mais pesados, dependendo do número de partículas que se constituem. O mais leve que se conhece é o do hidrogênio e o mais pesado o do urânio.

Um átomo é composto por um núcleo e por partículas menores que gravitam em torno desse núcleo. Essas partículas se chamam elétrons, são muito leves e têm carga elétrica negativa. Dentro do núcleo, há dois tipos de partículas, chamadas prótons e nêutrons. O número de prótons é sempre igual ao número dos elétrons. Quanto aos nêutrons, variam em número sendo mais numerosos quanto mais pesado for o átomo. Eles não possuem carga elétrica

Embora sabendo que tudo que existe na natureza é formado por átomos, trataremos apenas dos átomos do elemento chamado urânio.

No urânio presente na natureza são encontrados átomos, que têm em seu núcleo 92 prótons e 143 nêutrons (cuja soma dá 235), átomos com 92 prótons e 142 nêutrons (234) e outros ainda, com 92 prótons e 146 nêutrons (238). Como os prótons e elétrons são em número igual (92), podemos dizer que esses átomos são quimicamente iguais e os chamaremos de isótopos do mesmo elemento, isto é, do urânio. Para diferenciá-los, usa-se o símbolo químico de elemento e um número, de acordo com seu peso atômico – Isótopo, - Isótopo e - Isótopo.

O choque de um nêutron livre com o isótopo causa a divisão do núcleo desse isótopo em duas partes -dois outros átomos - e ocasiona uma liberação relativamente alta de energia. Dá-se a esse fenômeno o nome de fissão nuclear. (foto)

A fissão nuclear ocasiona a transformação da matéria em energia, através da divisão do isótopo .

Por que o e não o ou o ?

Quando a fissão do isótopo ocorre, o núcleo divide-se em duas partes formando dois elementos novos, e dele se desprendem 2 ou 3 nêutrons que, por seu turno, podem chocar-se com outro núcleo de acarretando nova fissão, novos elementos são formados, provocando uma seqüência de fissões denominada reação nuclear em cadeia. Somente o na natureza tem a propriedade de se fissionar e portanto, sustentar uma reação em cadeia.

O aproveitamento e controle dessa energia liberada é feito dentro de reatores nucleares, que nas usinas nucleares, fazem o mesmo papel que a caldeira desempenha nas usinas térmicas comuns.

A fim de otimizar as reações nucleares costuma-se enriquecer o urânio antes do seu uso nos reatores. Esta operação consiste simplesmente em aumentar o teor do Isótopo (o único que se fissiona) na mistura de isótopos do urânio natural (, e ).

O ciclo do Combustível

O Ciclo do Combustível Nuclear é o conjunto de etapas do processo industrial que transforma o mineral urânio, desde quando ele é encontrado em estado natural até sua utilização como combustível, dentro de uma usina nuclear. A energia nuclear, como seu homólogo fóssil, é extraído de jazidas naturais, transformado e enviado à central para produzir energia.

Mineração e Produção de Concentrado de Urânio ( U₃O₈ )

O elemento químico Urânio é um metal branco-níquel, pouco menos duro que o aço e encontra-se, em estado natural, nas rochas da crosta terrestre. (foto : Industrias Nucleares Brasileiras –INB- )

Sua principal aplicação comercial é na geração de energia elétrica, na qualidade de combustível para reatores nucleares. É também utilizado na produção de material radioativo para uso na medicina, na produção de armas e na agricultura.

A extração do mineral de urânio segue as técnicas correntes de mineração. O processo de beneficiamento do minério de urânio é o de lixiviação em pilhas (estática). Depois de britado, o minério é disposto em pilhas e irrigado com ácido sulfúrico e bióxido de manganês para colocar o urânio em solução. Este é extraído por um processo de troca iônica, seguido de uma nova dissolução. A concentração do urânio é realizada pelo processo de extração por solventes orgânicos, seguida da separação por precipitação, secagem e acondicionamento em tambores.

O produto final é um concentrado de urânio, o U₃O₈, sob a forma de um sal de cor amarela, conhecido como "yellowcake", (foto: Industrias Nucleares Brasileiras –INB- ) matéria prima para produção da energia gerada em um reator nuclear.

Na usina de conversão, o urânio sob a forma de yellowcake, é dissolvido e purificado, obtendo-se então o urânio nuclearmente puro. A seguir, é convertido para o estado gasoso, o hexafluoreto de urânio (UF6), para então ser realizado o enriquecimento isotópico, que irá aumentar a concentração de em relação ao seu isótopo não físsil, o .

Enriquecimento do Urânio

Para ser usado em reatores, o urânio natural (0.7% de e 99.3% de ) deve ser enriquecido no isótopo físsil. A principal finalidade comercial do urânio é a geração de energia elétrica mas é muito usado na indústria bélica. Quando transformado em metal, o urânio torna-se mais pesado que o chumbo, pouco menos duro que o aço e se incendeia com muita facilidade. O urânio empobrecido ( ou DU de "depleted uran") é 2,5 % mais denso que o aço e 1,7% mais denso que o chumbo. O urânio, que possui 92 prótons no núcleo, existe na natureza na forma de 3 isótopos: , com 142 nêutrons (em quantidade desprezível); , com 143 nêutrons, após enriquecido.

Os processos de enriquecimento mais empregados são o da Difusão Gasosa e o Ultracentrifugação.

Difusão gasosa - as moléculas de UF6 contendo átomos de são mais leves e se deslocam mais facilmente que as contendo . Estatisticamente, as primeiras têm uma maior probabilidade de atravessar uma membrana porosa. O UF6 de composição natural é inserido no meio da cascata de barreiras de difusão: nas duas extremidades recolhem-se urânio enriquecido e urânio empobrecido. Em função da concentração de a instalação é vultuosa, acrescida de dificuldade tecnológica das barreiras que devem ter poros uniformes com raios entre 150 e 250 Å. O UF6, por outro lado, é de utilização industrial bastante difícil. É tóxico, corrosivo e em presença de umidade forma facilmente oxifluoretos, ácidos fluorídricos e fluoreto de urânio, que tendem a entupir os poros. Além disso, nas condições normais, sublima, o que torna necessário o seu uso a pressão e temperaturas baixas. Apesar do fator teórico de separação de um estagio para outro ser de 1.003, na prática somente se consegue da ordem de 1.002, o que aumenta consideravelmente o número de passagem de estágios. Para a produção de 1Kg de urânio enriquecido é necessário assegurar a difusão de várias centenas ou até mesmo milhares de toneladas de UF6 através das cascatas. Destas, a maioria se encontra na fase inicial. A colocação em regime de cascata será da ordem de meses

Ultracentrifugação - Este método mecânico se mostrou eficiente para separar o isótopo de do . A taxa de conversão é da ordem de 500 partes de minério para se obter uma parte de metal. Desta parte, mais de 99% é de , sem finalidade na indústria nuclear. Em termos simples, a ultracentrífuga segue o mesmo princípio das centrífugas domésticas, usadas para preparar alimentos: propicia a separação do material de maior peso, que é jogado para a parede do recipiente, daquele de menor peso, que fica mais concentrado no centro. No processo chamado de enriquecimento acontece algo semelhante. O é apenas ligeiramente mais leve que o , adiciona-se flúor ao metal, formando o gás hexafluoreto de urânio. Para o combustível nuclear interessa apenas o isótopo 235, que é físsil. E como no urânio natural há uma quantidade muito pequena de , é preciso fazer essa separação, ou aumentar a concentração do urânio físsil. Dentro da centrífuga, o isótopo de tende a concentrar-se mais no centro, e o fica mais próximo à parede do cilindro. Duas tubulações de saída recolhem o urânio, sendo que numa delas segue o urânio que tiver maior concentração de isótopos 235 (urânio enriquecido), e na outra, o que tiver mais 238 (chamado de subproduto).Dessa centrífuga o urânio é repassado para outra centrífuga e assim por diante, num processo em cascata. No final dessa cascata é recolhido o urânio com maior nível de enriquecimento, enquanto que na base permanece o subproduto. Através de uma tubulação, o hexafluoreto de urânio (UF₆) é aquecido em uma autoclave a 100°C, adicionam-se outras substâncias, dando origem ao tricarbonato de amônia uranila. Quando o gás passa por um filtro o pó de dióxido de urânio (UO₂) fica retido e é prensado e aquecido a 1.750°C. Do pó de UO₂ serão fabricadas pastilha para compor o elemento combustível .

(fotos :Industrias Nucleares Brasileiras –INB- )

Físsil: Normalmente, uma amostra natural de urânio contém cerca de 99,3% de , não fissionável, e cerca de 0,7% de , fissionável. Como o é um bom absorvedor de nêutrons com energias cinéticas de cerca de 5 eV, ele tende a absorver os nêutrons produzidos na fissão do e se constitui, portanto, em um obstáculo à reação em cadeia. O uso efetivo do urânio como combustível nuclear requer que se retire parte do das amostras de urânio natural. Uma amostra de urânio com uma abundância maior do que cerca de 0,7% de é dita enriquecida. Os processos de enriquecimento são muito caros.
          Outro material fissionável é o plutônio 239, que também se fissiona como o por captura de um nêutron lento (térmico). O plutônio 239 não existe na natureza mas, pode ser produzido num reator nuclear por um processo baseado nas seguintes reações:

²³⁸U₉₂ + n ---> [ ²³⁹U₉₂ ] ---> ²³⁹Np₉₃ + e^- + n* + g

²³⁹Np₉₃ ---> ²³⁹Pu₉₄ + e^- + n* + g

Nêutrons com energias cinéticas de cerca de 1 MeV, resultantes de fissões de núcleos de em reatores nucleares, são freados até terem energias cinéticas de cerca de 5 eV. Com tais energias, os nêutrons são absorvidos por núcleos de que, então, se transformam em núcleos de urânio 239, altamente instáveis. Estes núcleos de urânio 239, por decaimento β^-, se transformam em núcleos de neptúnio 239. Os núcleos de neptúnio 239 são radioativos e com uma meia vida de 2,3 dias se transformam em núcleos de plutônio 239 também por decaimento β-. Esse processo é o responsável, em certos reatores nucleares, pela produção de grandes quantidades de plutônio. O plutônio 239 sofre decaimento α com uma meia vida de cerca de 25.000 anos (e por isso pode ser útil como material fissionável):

²³⁹Pu₉₄ ---> ²³⁵U₉₂ + ⁴He₂

    É muito difícil a separação do do numa amostra natural de urânio porque eles têm propriedades químicas semelhantes. Contudo, quando núcleos de absorvem nêutrons, eles se transformam em núcleos de plutônio 239, de modo que a amostra original passa a conter também esse elemento. A separação do plutônio do urânio é mais fácil porque eles têm propriedades químicas diferentes.
          Uma última observação. O urânio tem número atômico Z = 92. Qualquer elemento com Z > 92 é chamado transurânico. O netúnio e o plutônio são elementos transurânicos. Existem outros elementos transurânicos e todos são radioativos e artificiais.

Industria Bélica: Sabemos que quando um núcleo sofre fissão, ele se divide em dois fragmentos e vários nêutrons. Se cada um desses nêutrons for capturado por um outro núcleo físsil, o processo continua e o resultado é uma reação em cadeia de reações, na qual a fissão súbita de muitos núcleos e a liberação resultante de muitos núcleos e a liberação resultante de enorme quantidade de energia produz uma explosão nuclear . Na bomba atômica (nome não muito descritivo) uma certa quantidade de massa crítica, de nuclídeos físseis é repentinamente acionada pelo mecanismo da bomba e resulta na explosão nuclear. Se a massa for menor que a massa crítica, muitos nêutrons se perderão e a reação em cadeia não se sustentará. Uma maneira de disparar a bomba consiste em usar uma explosão química para ativar duas massas subcríticas separadas, contendo material físsil em ambas, e assim a massa crítica poderá ser atingida. e plutônio 239 foram ambos usados em armas nucleares. O plutônio 239 é produzido pelo bombardeio de urânio 238, o isótopo mais comum do urânio, com nêutrons. O urânio 239 se desintegra em neptúnio 239 que se desintegra em plutônio 239.

Pastilhas-Combustíveis: Duas pastilhas de urânio produzem energia suficiente para atender, por um mês, uma residência média em que vivam quatro pessoas. Estas pastilhas de dióxido de urânio (UO2), que tem a forma de um cilindro de mais ou menos um centímetro de comprimento e de diâmetro, após serem submetidas a diversos testes - dimensionais, metalográficos e químicos - estarão aptas a compor o Elemento Combustível.

Elemento Combustível: O elemento combustível é um conjunto de 235 varetas combustíveis - fabricadas em zircaloy - rigidamente posicionadas em uma estrutura metálica, formada por grades espaçadoras; 21 tubos-guias e dois bocais, um inferior e outro superior (foto: Industrias Nucleares Brasileiras –INB- ). Nos tubos-guias são inseridas as barras de controle da reação nuclear. Antes de serem unidas a estes tubos por solda eletrônica, as grades espaçadoras são alinhadas por equipamentos de alta precisão. A solda das extremidades das varetas se dá em atmosfera de gás inerte e sua qualidade é verificada por raios-X. As pastilhas de urânio, antes de serem inseridas nas varetas combustíveis, são pesadas e arrumadas em carregadores e secadas em forno especiais. Simultaneamente, os tubos de zircaloy têm suas medidas conferidas por testes de ultra-som e são minuciosamente limpos. Só então as pastilhas são acomodadas dentro das varetas sob a pressão de uma mola afastada do urânio através de isolantes térmicos de óxidos de alumínio.

Um elemento combustível supre de energia 42.000 residências médias durante um mês.