NUCLEAR ENERGY

1. SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA • NUCLEAR ENERGY • Sumário da 4ª aula • Introdução à Fissão Nuclear • Elementos cindíveis • Reactor nuclear convencional • Central nuclear convencional

2. 1. INTRODUÇÃO À FISSÃO NUCLEAR • As reacções de fissão ocorrem quando o núcleo pesado de um elemento cindível captura um neutrão. • Os neutrões de baixa energia (lentos ou térmicos) podem causar reacções de fissão somente nos isótopos de urânio e plutónio com um número ímpar de neutrões (U233, U235 ou Pu239). • A fissão de núcleos com um número par de neutrões é apenas possível quando o neutrão incidente possui energia maior que 1 MeV Secções eficazes de colisão de neutrões para a fissão dos núcleos de urânio e plutónio

3. A probabilidade de uma reacção de fissão é proporcional à secção eficaz de colisão, a qual aumenta quando diminui a energia do neutrão. • É por isso que num reactor nuclear convencional existe um moderador, cuja função consiste em reduzir a energia dos neutrões até aos valores da energia cinética média dos átomos cindíveis que os rodeiam. • Um reactor rápido não possui moderador. Distribuição, em percentagem, dos produtos resultantes da fissão do U235

4. 2. ELEMENTOS CINDÍVEIS • Os elementos cindíveis usados em reacções de fissão nuclear são o urânio, o plutónio e o tório. • O urânio é um elemento cerca de 1.7 vezes mais denso que o chumbo, composto por átomos com um núcleo com 92 protões e um número variável e elevado de neutrões: 143, 233, 235 ou 238 consoante o isótopo considerado. • O U235 é um isótopo cindível porque o seu núcleo é hit por um neutrão lento, formando-se como produtos das reacções elementos com massas atómicas entre 95 e 135, tais como, Ba, Kr, Sr, Cs, I e Xe.

5. Algumas reacções típicas são: U235 + n  Ba144 + Kr90 + 2n + energia U235 + n  Ba141 + Kr92 + 3n + 170 MeV U235 + n  Te139 + Zr94 + 3n + 197 MeV • Os isótopos de bório e de krypton decaiem posteriormente para isótopos mais estáveis de neodynium e ytrium, através da emissão de vários electrões do núcleo (decaimento-b). É este decaimento, com alguns raios- que lhe estão associados, que tornam os produtos da fissão muito radioactivos.

6. O U238 não é cindível num reactor convencional, mas é um isótopo fértil na medida em que se transforma num elemento cindível (P239) através da captura de um neutrão. U238 + n  U239 Np239+ Partícula-  Pu239 + Partícula- Pu239 + n  Pu240 Pu240 + n  Pu241 American241 + Partícula-  • O plutónio P239 comporta-se num reactor como o U235, isto é, é condível através da captura de um neutrão térmico. • Contudo estas reacções de fissão têm uma fluência de neutrões ligeiramente maior. • As reacções de fissão do plutónio que ocorrem num reactor nuclear são responsáveis por cerca de um terço da energia gerada. • As massas dos produtos destas reacções estão distribuídas à volta de 100 e 135.

7. As reacções de fissão nuclear podem ser usadas nas bombas nucleares ou de uma forma controlada para benefício da Humanidade. • Neste último caso, podemos utilizar quer a energia quer a radiação e/ou os neutrões produzidos nestas reacções. • A energia libertada é usada na: • Propulsão de submarinos e foguetões nucleares, • Geração de electricidade nas actuais centrais nucleares • Dessalinização da água dos oceanos • Produção de hidrogénio para alimentar uma nova geração de veículos motorizados. • Os neutrões e a radiação são utilizados em aplicações científicas ou médicas.

8. Henri Becquerel identificou, em 1896, a radiação natural do urânio • A primeira experiência de fissão nuclear foi realizada em 1938 em Berlim por Otto Hahn, Lise Meitner e Fritz Stassmann. • A primeira reacção em cadeia foi feita em 1942, em Chicago, por Enrico Fermi. • A geração de electricidade (100 kW) foi conseguida pela primeira vez em 1951, num reactor da classe EBR-1, em Arco, nos Estados Unidos

9. 3. REACTOR NUCLEAR CONVENCIONAL • Um reactor nuclear convencional é um dispositivo blindado onde reacções de fissão nuclear em cadeia são iniciadas, controladas e mantidas a uma taxa estacionária. • As suas componentes principais são: • O combustível, normalmente U235, U238, Pu239, T232 ou misturas destes três elementos como, por exemplo, a mox, uma mistura de óxidos de urânio e plutónio; • O moderador, normalmente água, água pesada, hélio, grafite ou sódio metálico, o qual reduz a energia dos neutrões até que eles atinjam a energia cinética média dos átomos cindíveis que os rodeiam. Num reactor que usa urânio natural, o moderador deve ser grafite ou água pesada. Nos reactores que operam com urânio enriquecido pode ser usada água. Os reactores nucleares estão preparados para, nas situações de emergência, adicionarem boro à água, já que aquele elemento ajuda a controlar as reacções de fissão.

10. Esquema de uma central nuclear, baseada num reactor de água pressurizada

11. O permutador de calor, normalmente água, água pesada, dióxido de carbono, hélio ou sódio metálico, o qual transfere a energia produzida pelas reacções de fissão para a turbina; • O reflector, normalmente, água, água pesada, grafite ou urânio, o qual aumenta a eficiência do reactor através da diminuição das perdas de neutrões; • A blindagem, feita normalmente com betão, chumbo, aço ou água, a qual evita a emissão de radiação gama e de neutrões rápidos; • As barras de controlo, usualmente de cádio ou boro, as quais absorvem muito bem os neutrões de modo a controlar as reacções em cadeia; • Os sistemas de controlo e segurança.

12. Os reactores nucleares podem ser usados para produzir: • Combustíveis nucleares (breeder reactors), neutrões e/ou outros produtos ou fontes radioactivas para aplicações científicas ou médicas (reactores de investigação); • Calor para potência nuclear para utilização em submarinos e foguetões nucleares ou para a geração de electricidade (reactores de potência). • Há, actualmente, no mundo cerca de 900 reactores nucleares, sendo 260 do tipo reactor de investigação e 220 para alimentação de submarinos nucleares.

13. 4. CENTRAL NUCLEAR CONVENCIONAL • As centrais nucleares, convencionais, são dispositivos que geram grandes quantidades de electricidade, a partir de reacções de fissão nuclear realizadas num ou mais reactores. • A primeira central nuclear, localizada em Obninsk, na ex-União Soviética, injectou em 1954, de uma forma experimental, 5 MW de electricidade na rede pública. • A primeira central nuclear comercial foi instalada em Sellafield, no Reino Unido, com uma potência inicial de 50 MW, posteriormente aumentada para 200 MW. • A potência nuclear instalada cresceu inicialmente de uma forma muito rápida, passando de menos de 1 GW em 1960 para 100 GW no final da década de 70 e para mais de 300 GW no final dos anos 80.

14. Posteriormente, e devido ao impacte na opinião pública dos acidentes em Three Mile Island (em 1979), Chernobyl (em 1986) e Toikamura (em 1999), o ritmo de construção de novas centrais nucleares diminui fortemente, tendo mesmo alguns países (Austria (em 1978), Suécia (em 1980) e Itália (em 1987)) decidido formalmente não construir centrais nucleares ou mesmo descontinuar as já existentes. • Mais recentemente, alguns países como, por exemplo, a China e a Índia, decidiram construir centrais nucleares, como forma de responder ao grande aumento do consumo de electricidade. • A potência nuclear atingiu cerca de 360 GW em 2005. • Há, actualmente, cerca de 440 centrais nucleares em operação em todo o mundo, especialmente concentradas na Europa, América do Norte e Ásia.

15. Número de centrais nucleares (CN) e o seu peso na geração de electricidade (E)

16. Estas centrais satisfazem cerca de 7% do consumo mundial de energia, através da geração de aproximadamente 16% da electricidade consumida. • Actualmente, o debate sobre a energia nuclear está a regressar, motivado pelos seguintes factos: • Muito provavelmente, ser difícil atingir os objectivos do Protocolo de Quioto sem o recurso a todas as energias limpas. • A indústria nuclear tem feito progressos muito significativos que tornam os actuais reactores nucleares muito mais seguros e eficientes do que os do passado. • Em consequência deste facto, há 28 novas centrais nucleares em construção e 62 planeadas, com incidência especial na Ásia.

17. Centrais nucleares planeadas (P) ou em construção (C)