Como Funciona: Energia Nuclear

O que é a energia nuclear?

Energia nuclear é a energia liberada numa reação nuclear, ou seja, em processos de transformação de núcleos atômicos. Alguns isótopos de certos elementos apresentam a capacidade de se transformar em outros isótopos ou elementos através de reações nucleares, emitindo energia durante esse processo.

A tecnologia nuclear tem como uma das principais finalidades gerar energia elétrica. Aproveitando-se do calor emitido na reação, para aquecer a água até se tornar vapor, assim movimentando um turbo-gerador. A reação nuclear pode acontecer controladamente em um reator de usina nuclear ou descontroladamente em uma bomba atômica (causando uma reação chamada reação em cadeia).

Segundo a WNA (Associação Nuclear Mundial, da sigla em Inglês), hoje, 14% da energia elétrica no mundo, é gerada através de fonte nuclear e este percentual tende a crescer com a construção de novas usinas, principalmente nos países em desenvolvimento (China, Índia, etc.). Os Estados Unidos, que possuem o maior parque nuclear do planeta, com 104 usinas em operação, estão ampliando a capacidade de geração e aumentando a vida útil de várias de suas centrais. França, com 58 reatores, e Japão, com 50, também são grandes produtores de energia nuclear, seguidos por Rússia (33) e Coréia do Sul (21).

História no Mundo

Em 1896, o físico francês Antoine-Henri Becquerel descobriu que certas substâncias, como sais de urânio, produzem radiação penetrante de uma fonte desconhecida. Esse fenômeno era conhecido como radioatividade.

Ao mesmo tempo, o casal francês Pierre e Marie Curie em sua pesquisa, descobriu a existência de um outro elemento mais elevado do que a atividade de urânio, em honra ao seu país chamaram-lhe polônio. Eles também descobriram um segundo elemento chamado rádio.

A natureza desses três elementos é realmente importante para o desenvolvimento da energia nuclear. Atualmente, todas as usinas nucleares estão usando urânio como combustível nuclear.

Em 1938, na véspera da Segunda Guerra Mundial, uma equipe de pesquisadores alemães no Instituto Kaiser Wilhelm em Berlim, com Otto Hahn, Fritz Strassmann, Lisa Meitner e Otto Frisch, interpretou o fenômeno da fissão nuclear, identificando o elemento de bário como resultado do núcleo dividido de urânio.

Os primeiros estudos sobre fissão nuclear foram realizados por Otto Hahn e Lise Meitner, que através de análise cuidadosa encontraram um elemento de número atômico intermediário em uma amostra de urânio bombardeado com nêutrons

Eles inferiram que ao bombardear urânio com nêutrons, os núcleos de urânio capturaram um nêutron e se dividem em dois fragmentos, emitindo uma grande quantidade de energia. Foi a descoberta da fissão nuclear.

História no Brasil

A procura da tecnologia nuclear no Brasil começou na década de 50, com o pioneiro nesta área, Almirante Álvaro Alberto, que entre outros feitos criou o Conselho Nacional de Pesquisa, em 1951, e que importou duas ultra-centrifugadoras da Alemanha para o enriquecimento do urânio, em 1953.

 

Figura 1: Angra 1 em construção.

 

Era de se imaginar que o desenvolvimento transcorreria numa velocidade maior, porém ainda são obscuras as reais causas que impediram este deslanche, e o país não passou da instalação de alguns centros de pesquisas na área nuclear.

A decisão da implementação de uma usina termonuclear no Brasil aconteceu de fato em 1969, quando foi delegado a Furnas Centrais Elétricas SA a incumbência de construir nossa primeira usina nuclear. É muito fácil concluir que em nenhum momento se pensou numa fonte para substituir a energia hidráulica, da mesma maneira que também após alguns anos, ficou bem claro que os objetivos não eram simplesmente o domínio de uma nova tecnologia. Estávamos vivendo dentro de um regime de governo militar e o acesso ao conhecimento tecnológico no campo nuclear permitiria desenvolver não só submarinos nucleares mas armas atômicas. O Programa Nuclear Paralelo, somente divulgado alguns anos mais tarde, deixou bem claro as intenções do país em dominar o ciclo do combustível nuclear, tecnologia essa somente do conhecimento de poucos países no mundo.

Em junho de 1974, as obras civis da Usina Nuclear de Angra 1 estavam em pleno andamento quando o Governo Federal decidiu ampliar o projeto, autorizando Furnas a construir a segunda usina.

Mais tarde, no dia 27 de junho de 1975, com a justificativa de que o Brasil já apontava escassez de energia elétrica para meados dos anos 90 e início do século 21, uma vez que o potencial hidroelétrico já se apresentava quase que totalmente instalado, foi assinado na cidade alemã de Bonn o Acordo de Cooperação Nuclear, pelo qual o Brasil compraria oito usinas nucleares e obteria toda a tecnologia necessária ao seu desenvolvimento nesse setor.

Desta maneira o Brasil dava um passo definitivo para o ingresso no clube de potências atômicas e estava assim decidido o futuro energético do Brasil, dando início à “Era Nuclear Brasileira”.

 

Como funciona a energia nuclear?

Antes de entendermos o que a energia nuclear e como ela é gerada, vamos voltar a um conceito muito importante: reação nuclear. Nada mais é do que uma reação que envolve a modificação dos núcleos dos átomos, devido à união entre átomos (fusão) ou fissão (quebra) do núcleo, que geralmente se deve ao fato deste ser atingido por um nêutron. Nesses processos, ocorre a transformação de massa em energia (princípio conservativo observado por Einstein).

Essas reações ocorrem no interior de uma câmara hermética (totalmente vedada) de resfriamento conhecida como reator nuclear, que apresenta a função de resfriamento (devido às altas temperaturas geradas pelas reações) e de blindagem contra a radiação.

Existem dois tipos de reatores, que são adaptados a cada um dos tipos de reação nuclear: reatores de fusão e reatores de fissão. Atualmente, o único processo utilizado é o de fissão nuclear, devido a questões técnicas e econômicas.

O material mais utilizado para a produção de energia nuclear é o urânio, especificamente o urânio-235 (um isótopo).  Na natureza ele é encontrado na forma de dióxido de urânio UO2, mas apenas 0,711% desse composto apresenta o 235U, que é obtido através de um processo de separação de isótopos (“enriquecimento”). Mas por que não utilizar outro isótopo? Porque esse é o único, em quantidades significativas, considerado fissil, ou seja, capaz de sustentar uma reação em cadeia de fissão nuclear.

Tudo começa com o processo de mineração, em reservas subterrâneas ou em a céu aberto. Após ser extraído o minério, ele é compactado e concentrado em uma forma chamada yellowcake ou urania. Em seguida, é processado e convertido em hexafluoreto de urânio UF , que é enriquecido através de diversas técnicas (difusão gasosa e ultracentrifugação por exemplo). O processo de enriquecimento nada mais é do que a separação do isótopo fissil (235U) do não fissil (238U, o mais comum na natureza), para que assim, a concentração de combustível seja maior, que antes era de 0,7% para 3% a 5%. Pode parecer pouco, mas esse urânio será utilizado por cerca de 6 anos (3 ciclos operacionais), mas essa é a ideia, pois desejamos que a fissão ocorra lentamente, de forma controlada. Para outras aplicações, normalmente militares, a concentração deve ser maior, cerca de 20% para mover um submarino e 95% para uma bomba atômica. Após o enriquecimento, são feitos bastões desse urânio no formato específico para o reator em questão.

Após esses 6 anos, o urânio é depositado em uma espécie de piscina (spent fuel pools). A água resfria o material e funciona como uma blindagem contra a radiação. Após pelo menos 5 anos em uma dessas piscinas, o urânio pode ser armazenado seco ou ser reprocessado, o que pode recuperar até 95% do material gasto.

Todo esse processo é necessário para reatores de fissão de “água leve” (light water reactors), ou seja, que utilizam água comum (por exemplo de água pressurizada, PWR – pressurized water reactor, utilizado em Angra, ou água fervente, BWR – boiling water reactor).

Através do bombardeamento de nêutrons, ele sofre o processo de fissão, produzindo outros elementos e, o mais importante, energia (a reação pode ser vista na imagem abaixo):

Essa energia é liberada na forma de calor (reação exotérmica). A partir desse ponto o processo se torna próximo de outras formas de geração de energia, como as termelétricas. Esse calor será o responsável por ferver a água depositada em uma caldeira, gerando vapor que, por sua vez movimenta uma turbina conectada a um gerador.

Um esquemático do funcionamento geral de uma usina nuclear pode visto na figura abaixo:

Existem outros tipos de reatores de fissão, um deles é o chamado reator reprodutor rápido (FBS – Fast Breeder Reactor). A reação que ocorre é um pouco diferente, pois ele pode ser utilizado para a geração de material físsil, como é o caso do 238U, abundante na natureza em relação ao urânio-235, gerando plutônio, que pode ser reaproveitado, como pode ser visto na figura abaixo:

Mas a fusão nuclear não foi esquecida. Existem algumas iniciativas em fase de experimentação em torno dessa tecnologia. Uma delas é o chamado ITER (Reator Termonuclear Experimental Internacional), um projeto de parceria entre China, União Europeia, Índia, Japão, Coreia do Sul, Rússia e EUA, patrocinado pelo IAEA (Agência Internacional de Energia Atômica). O ITER consiste em uma usina de fusão nuclear que está sendo construída na França e utilizará hidrogênio como combustível, chegando a temperaturas de 100 milhões de ºC e produzindo 500 MW de energia. O início das operações com deutério e trítio (isótopos do hidrogênio) está previsto para 2035 apenas.

 

Vantagens e Desvantagens

 

Vantagens:

  • Não libera gases estufa;
  • Exigência de pequena área para construção da usina;
  • Grande disponibilidade do combustível;
  • Pequeno risco no transporte do combustível;
  • Pequena quantidade de resíduos;
  • Independência de fatores climáticos (ventos; chuvas)
  • É uma fonte mais concentrada na geração de energia, uma pequeno pedaço de urânio pode abastecer uma cidade inteira, fazendo assim com que não sejam necessários grandes investimentos no recurso.
  • A geração de eletricidade através da energia nuclear pode reduzir a quantidade de energia gerada a partir de combustíveis fósseis (carvão e petróleo).
  • A produção de eletricidade é contínua. Uma usina de energia nuclear consegue gerar eletricidade para quase 90% das horas do ano. Isso reduz a volatilidade dos preços em relação a outros combustíveis como o petróleo.

 

 

Desvantagens:

  • O lixo nuclear radioativo deve ser armazenado em locais seguros e isolados;
  • Mais cara, quando comparada a outras formas;
  • Risco de acidentes nucleares;
  • Problemas ambientais, devido ao aquecimento de ecossistemas aquáticos pela água de resfriamento dos reatores.
  • O plutônio 239 leva 24.000 anos para ter sua radioatividade reduzida à metade, e cerca de 50.000 anos para tornar-se inócuo.
  • Gerar dependência externa. Pouco países têm minas de urânio e nem todos os países têm tecnologia nuclear, então eles têm que contratar tanto no exterior.

 

Atualidade

Mesmo após as terríveis consequências do desastre em Chernobyl e Fukushima, a produção de energia a partir da fissão de átomos de elementos radioativos, como urânio e plutônio, continuou em expansão.

Atualmente, a energia nuclear é responsável por 11% da eletricidade produzida no planeta. No mundo todo, existem 440 usinas nucleares operando em 31 países. Outras 65 usinas estão em construção. Os Estados Unidos são a nação que mais produz energia nuclear, seguidos pela França. No caso do país europeu, as usinas atômicas respondem por 76,9% de toda a eletricidade gerada no país.

No Brasil as usinas Angra 1 e Angra 2 funcionam com elevado fator de produtividade, sendo que em 2016 bateram o próprio recorde de produção de energia. Correspondem somente a 1,4% da capacidade nacional de geração elétrica instalada, mas em 2015 produziram 2,5% da eletricidade total fornecida. Já a usina Angra 3 concluiu em 2015 as obras civis necessárias para se iniciar a montagem eletromecânica. Atualmente, aguarda a retomada do empreendimento, sendo que a maior parte dos equipamentos já se encontra pronta para que a montagem seja iniciada.

Por outro lado, como resultado de incertezas acerca dessa energia, está em curso uma reavaliação sobre o futuro da “renascença nuclear” e da sobrevivência dessa alternativa para a geração de eletricidade. Alguns países já adotaram o que se chama de “estratégia de saída”, pela qual novos reatores não serão construídos. Alguns deles são a Bélgica e a Suíça, bem como o Chile e a Alemanha.

A China suspendeu a autorização para a construção de mais usinas até que seja feito um reestudo completo das suas condições de segurança. Nos Estados Unidos, foi abandonado o projeto de construção de dois reatores no Estado do Texas, os primeiros a serem iniciados após mais de 30 anos de moratória nuclear.

Outros países, provavelmente, seguirão o mesmo caminho. Esse é o caso do Brasil, onde existe um amplo potencial hidrelétrico, bem como a cogeração de eletricidade nas usinas de açúcar e álcool, e também a energia eólica. Também a França, e até mesmo o Japão, que não tem muitos recursos naturais, irão aumentar o uso do gás. A Agência Internacional de Energia Atômica reduziu sua projeção de novos reatores nucleares no mundo para 2035 em 50%.

Curiosidades

  • O primeiro fenômeno nuclear ocorreu em 1896. O pesquisador H. Becquerel descobriu a emissão de radioatividade pelo urânio. Foi a partir da década de 1950, já conhecendo os efeitos devastadores das bombas nucleares jogadas em Hiroshima e Nagasaki, que o mundo começou a criar programas para o uso pacífico da energia nuclear. Foi a ONU quem coordenou este processo, criando a AIEA (Agência Internacional de Energia Atômica) em 1957.   Cerca de 2,5% da matriz energética brasileira corresponde a geração de energia proveniente das usinas nucleares de Angra. A capacidade instalada é de 1.990 MW (dados referentes ao ano de 2014). Dentre as principais formas de produção de energia elétrica no mundo, a energia nuclear é responsável por cerca de 16% desta eletricidade. Entretanto, há alguns países com maior dependência da energia nuclear: enquanto no Brasil, por exemplo, apenas 3% da eletricidade utilizada é produzida pelas usinas nucleares, na França 78% da energia elétrica é gerada por elas (dados de 2008).
  • A desintegração pelo decaimento pode ocorrer espontaneamente ou ser provocada pela instabilidade criada em núcleos estáveis, pelo bombardeio com partículas ou com radiação eletromagnética. Na natureza, os elementos apresentam-se geralmente como uma mistura de diferentes isótopos, estáveis ou radioativos. Por exemplo, o urânio, que tem 92 prótons (Z = 92), é encontrado como uma mistura de 99,3% de urânio-238 (238U, com 146 nêutrons) e 0,7% de urânio-235 (235U, 143 nêutrons), além de frações muito pequenas de outros isótopos – o número que segue o nome do elemento químico ou antecede sua sigla é o chamado número de massa (A), ou seja, a soma de seus prótons e nêutrons.
  • A quantidade que seria necessária para substituir todos os combustíveis fósseis de todo mundo é de 6.600 toneladas de tório para geração de energia nuclear.

 

Fontes: