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Energia nuclear

Nesse artigo definiremos energia nuclear e veremos como funciona uma usina nuclear como, por exemplo, as usinas Angra 1 e Angra 2, ambas no estado do Rio de Janeiro.

Introdução

Você já deve ter ouvido falar de energia nuclear, certo?
Bem, você já ouviu falar no homem-aranha?
Já leu os quadrinhos ou assistiu aos filmes?
Figura 1: O homem-aranha. Crédito: Huhu, domínio público. Disponível em Wikimedia commons. Acesso em: 05/06/2019.
Lembra de sua história?
Ele se tornou o homem-aranha ao ser picado por uma aranha que foi irradiada com energia nuclear em uma visita de sua escola a um centro nuclear ou acelerador de partículas. Lembra disso?
E a história do Incrível Hulk, você conhece?
Figura 2: O incrível Hulk. Crédito: Fetx2002, CC-BY-SA-4.0. Disponível em Wikimedia commons. Acesso em: 05/06/2019.
Ele também se tornou um super-herói – ou super-vilão aos olhos do exército da história em quadrinhos – após sofrer um acidente nuclear. Ele recebeu toda a radiação gama de uma explosão nuclear ao tentar salvar um civil. Essa irradiação é a responsável por seus superpoderes.
Vamos ver agora o que é essa energia que inspirou a criação dos super-heróis no mundo da fantasia?

A energia nuclear

Como o próprio nome indica, a energia nuclear é aquela que provém do núcleo de um átomo, seja liberada em um processo de fusão (junção) ou de fissão (quebra) nuclear.
Vou mostrar o átomo de Urânio-235 (Figura 3), visto que ele é usado como combustível nas usinas nucleares.
Figura 3: O átomo de Urânio. Crédito: Stefan-Xp, CC-BY-SA-3.0-migrate. Disponível em Wikimedia commons. Acesso em: 05/06/2019.
O átomo de Urânio-235 possui em seu núcleo 92 prótons e 143 nêutrons. O número 235 colocado ao lado de seu nome representa sua massa, dada pela soma da quantidade de prótons e de nêutrons ou 92 + 143 = 235.
Além do Urânio-235, na natureza existe o Urânio-238 que possui 3 nêutrons a mais do que o Urânio-235. Aliás, o Urânio-238 é muito mais abundante na natureza do que o Urânio-235, a proporção é respectivamente de 99,3% para 0,7%.
A quantidade de Urânio-235 natural é muito baixa para proporcionar uma reação em cadeia no núcleo de um reator nuclear. Assim, para sua utilização nas usinas nucleares, o Urânio natural é enriquecido, o que significa que a quantidade de Urânio-235 é aumentada de 0,7% para 3,2%.
A energia do Urânio-235 é liberada durante a fissão de seu núcleo após o bombardeio com nêutrons.
Veja o esquema da reação na Figura 4.
Figura 4: Esquema da fissão do núcleo de Urânio-235. Crédito: MikeRun, CC-BY-SA-4.0. Disponível em Wikimedia commons. Acesso em: 05/06/2019.
O núcleo de Urânio-235 absorve o nêutron usado no bombardeio se transformando no núcleo instável de Urânio-236.
Como ele é instável, automaticamente sofre fissão produzindo um núcleo de Bário (Ba) e um de Criptônio (Kr). Na fissão ele libera também o nêutron absorvido pelo Urânio-235 e mais dois nêutrons novos, além de energia, muita energia – aproximadamente 200 milhões de elétrons-volt (eV)!
Agora imagine que essa reação ocorre em cadeia, ou seja, ela cresce continuamente, pois cada núcleo de Urânio-235 que se desintegra emite 3 nêutrons (o inicial e mais dois novos). Cada um desses nêutrons pode atingir outro núcleo de Urânio-235 no total de 3 núcleos, que, após a fissão, liberam o total de 9 nêutrons (os 3 iniciais e mais 6 novos). Aí cada um desses 9 nêutrons pode incidir em um novo núcleo de Urânio-235, que, por sua vez, sofre fissão; os 9 núcleos liberam juntos o total de 27 nêutrons que podem ampliar cada vez mais a reação.
Nas usinas nucleares a reação nuclear em cadeia é controlada por uma série de dispositivos que veremos a seguir, mas em uma bomba nuclear não; por isso ela é tão devastadora.

A usina nuclear

Muitas usinas nucleares são do tipo PWR (do inglês pressurized water reactor), ou seja, reatores que funcionam à base de água pressurizada.
O Brasil possui duas usinas em operação, as usinas nucleares de Angra 1 e 2, no estado do Rio de Janeiro. Ambas possuem reatores PWR.
Angra 1 está em operação desde 1985. Ela possui 640 megawatts de potência, gerando energia suficiente para suprir as necessidades de energia elétrica de 1 milhão de habitantes.
Angra 2 começou a funcionar em 2001, possui 1.350 megawatts de potência podendo suprir as necessidades de cerca de 2 milhões de habitantes.
Angra 3 ainda está em construção e sem término previsto. Segundo o planejamento, Angra 3 poderia suprir as necessidades de 5 milhões de residências.
Figura 5: Usinas nucleares de Angra. Crédito: Sturm, CC-BY-3.0. Disponível em Wikimedia commons. Acesso em: 05/06/2019.
Vamos ver um esquema do núcleo do reator PWR e explicar como ele funciona.
Figura 6: Esquema do núcleo de um reator PWR. Crédito: Sturm, CC-BY-3.0. Disponível em Wikimedia commons. Acesso em: 05/06/2019.
No núcleo do reator ficam as barras com as pastilhas de Urânio e as barras de controle.
Essas barras podem deslizar umas sobre as outras, expondo um volume maior ou menor de Urânio e assim controlando a potência do reator que é dada pela quantidade de reações de fissão que ocorrem.
Quando as barras de controle circundam completamente cada uma das barras de Urânio o reator fica “desligado”, pois o número de nêutrons emitidos não é o suficiente para originar a reação em cadeia.
Todo o núcleo do reator fica submerso em uma piscina, pois a água auxilia na contenção dos nêutrons.
Figura 7: Piscina de um reator PWR. Crédito: Nuclear Regulatory Commission, CC-BY-2.0. Disponível em Wikimedia commons. Acesso em: 05/06/2019.
O sistema de água da piscina não é o mesmo que gira as turbinas. São ambos fechados e independentes para impedir qualquer contaminação radioativa – veja a Figura 8.
O mesmo ocorre com o sistema de condensação do vapor d'água que girou as turbinas.
Figura 8: Esquema completo de um reator PWR. Crédito: Masili e Esteves em Usina nuclear. Disponível na página da Faculdade de Engenharia Mecânica da Unicamp. Acesso em: 05/06/2019.
Conforme mostrado nos esquemas acima, o calor gerado nas reações de fissão é usado para evaporar a água e fazer com que o vapor gire as turbinas que geram energia elétrica.
Normalmente as usinas nucleares possuem três ou quatro sistemas de segurança que visam impedir, tanto qualquer possível vazamento de material radioativo quanto o descontrole das reações de fissão por algum pane no sistema de subida e descida das barras de controle.
Desde o funcionamento da primeira usina nuclear na Rússia em 1954 foram poucos os acidentes nas usinas, apenas nove.
O problema é que esses acidentes podem causar danos gigantescos aos seres vivos e à natureza.
O mais grave deles foi o acidente de Chernobyl, na Ucrânia em 1986.
Tudo começou com um teste de segurança e com várias falhas seguidas nos sistemas de segurança; acabou com a explosão de um dos reatores da usina.
Figura 9: Foto do reator de Chernobyl após o acidente. Crédito: Garvey STS, CC-BY-SA-4.0. Disponível em Wikimedia commons. Acesso em: 05/06/2019.
O combustível nuclear queimou durante 10 dias e lançou na atmosfera uma quantidade de material radioativo entre 200 e 400 vezes maior do que a lançada pela bomba de Hiroshima. As condições climáticas (ventos e chuvas) fizeram com que parte da Europa também fosse contaminada.
Os dados não são exatos, mas estima-se que nesse acidente mais de 25 mil pessoas morreram.
Figura 10: Área afetada pelo acidente de Chernobyl após 10 anos. Crédito: 四葉亭四迷, CC-BY-SA-2.5. Disponível em Wikimedia commons. Acesso em: 05/06/2019.
Atualmente a área em torno de Chernobyl permanece controlada.
Se você me perguntar se as usinas nucleares são boas ou não, vou te responder que depende dos sistemas de segurança e manutenção.
É uma fonte limpa de energia, mas é preciso garantir que seja segura, pois a história já mostrou que acidentes nas usinas nucleares têm consequências gigantescas.

Referências

Peter Parker, homem-aranha. Acesso em: 05/06/2019.
Eletronuclear, Angra 1. Acesso em: 05/06/2019.
Eletronuclear, nossas atividades. Acesso em: 05/06/2019.
Unicamp, nuclear. Acesso em: 05/06/2019.
Aneel. Acesso em: 05/06/2019.
UFRGS, Energia controle. Acesso em: 05/06/2019.
Acidentes nucleares. Acesso em: 05/06/2019.

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