Central nuclear

Central nuclear na Finlândia.

Central nuclear ^{(português europeu)} ou usina nuclear ^{(português brasileiro)} é uma instalação industrial empregada para produzir eletricidade a partir de energia nuclear, que se caracteriza pelo uso de materiais radioativos que através de uma reação nuclear produzem calor. As centrais nucleares usam este calor para gerar vapor, que é usado para girar turbinas e produzir energia elétrica.

As centrais nucleares apresentam um ou mais reatores, que são compartimentos impermeáveis à radiação, em cujo interior estão colocados barras ou outras configurações geométricas de minerais com algum elemento radioativo (em geral o urânio). No processo de decomposição radioativa, estabelece-se uma reação em cadeia que é sustentada e moderada mediante o uso de elementos auxiliares, dependendo do tipo de tecnologia empregada.

História

O estudo da radiação atômica, transformações atômicas e cisão nuclear foi desenvolvida com intuito militar principalmente de 1895 a 1945, grande parte dos últimos seis anos nesse período. De 1939 a 1945 a maior parte do desenvolvimento estava focado em desenvolver a bomba atômica. De 1945 para frente a atenção sobre a bomba atômica foi diminuída porém seu estudo continua forte principalmente nas áreas de energia limpa e propulsão naval controlada. De 1956 em diante, o foco primário tornou-se a evolução de tecnologias confiáveis para usinas nucleares de geração de energia.

O átomo

A radiação ionizante foi descoberta por Wilhelm Rontgen em 1895, ao passar uma corrente elétrica por um tubo de vidro e produzir continuamente raios-X. Então em 1896 Henri Becquerel achou um minério contendo Uranio e Rádio que causava placas fotográficas escurecerem. Ele foi então demonstrar que isso se dava a partir de radiação Beta e Alfa. Villard encontrou um terceiro tipo de radiação do minério, radiação Gama, muito parecida com raios-X. Em 1896 Pierre e Marie Curie deram o nome de “Radioatividade” para este fenômeno e em 1898 Samuel Prescott revelou que radiação matava bactérias na comida.

Em 1902 Ernest Rutherford mostrou que a radioatividade com uma emissão espontânea de partículas alfa ou beta do núcleo criaria um elemento químico diferente. Ele continuou a desenvolver um entendimento mais completo sobre átomos e em 1919 ele atirou partículas alfa de um átomo de Rádio em um de nitrogênio e constatou que o re-estruturamento do núcleo estava ocorrendo e assim, a formação de um átomo de oxigênio. Niels Bohr foi outro cientista que ajudou a explicar o átomo, os elétrons e o modo que eles estavam arranjados ao redor do núcleo.

Em 1911 Frederick Soddy descobriu que elementos radioativos ocorrentes na natureza tinham um diverso número de isótopos, com a mesma química.

Em 1932 James Chadwick descobriu o nêutron. Também em 1932 Cockcroft e Walton produziram transformações nucleares ao bombardear átomos com prótons acelerados. Dois anos mais tarde Irene Curie e Frederick Joliot descobriram que algumas transformações deram origens a elementos artificiais, e no ano seguinte Enrico Fermi descobriu uma variedade muito maior de elementos artificiais que poderiam ser formados se fossem usados nêutrons em vez de prótons no bombardeamento.

Fermi continuou seus experimentos, geralmente produzindo elementos mais pesados do que o alvo, porem ao bombardear uranio foi detectado elementos muito mais leves do que o esperado.  No final de 1938 Otto Hahn e Fritz demonstraram que os elementos mais leves eram aproximadamente a metade da massa do uranio e que a fissão nuclar teria ocorrido.

Lise Meitner e Otto Frisch trabalharam então com Niels Bohr e explicaram que o neuton foi capturado pelo núcleo, causando severa vibração e assim o partindo em duas diferentes. Essa foi a primeira indicação que a famosa equação de Einstein “e=mc²”, publicada em 1905, estava correta.

Usinas nucleares

Durante o desenvolvimento de armas nucleares muitas tecnologias foram desenvolvidas dentre elas o estudo básico de como usar fissão para produzir eletricidade. O primeiro reator nuclear a produzir eletricidade foi um pequeno experimento, um reator fermentador, design e operação por parte da “argonne national laboratory” situada em Idaho, EUA.  O reator foi ligado em dezembro de 1951.

Em 1953 o presidente Eisenhower propôs o programa "atoms for peace" que se orientou significativamente os esforços em gerar eletricidade baseando se na fissão principalmente apartamento civil de energia americano. Os primeiros Reatores nucleares não tinham uma produção de energia tão grande, dificilmente passando dos 30 Mw.

Usinas Atuais

Atualmente existem muitos tipos de usinas nucleares, porém as mais usadas são as PWR e as BWG.

PWR

As usinas nucleares de água pressurizada, também chamadas de PWR (pressurizad water reactors) mantem água sobre pressão para que ela esquente mas não evapore. Essa água em altíssima temperatura é então circulada por uma tubulação e então esquenta outro tanque de água. Esse segundo tanque garante que a água que entra de fora do sistema não entre em contato com a água no interior do reator, permanecendo assim limpa, pois a água de rios usadas para resfriar o reator não é usada nem nas turbinas, ele é somente usada para resfriar o vapor de agua do segundo tanque após o mesmo já ter passado pelas turbinas.

BWR

As usinas nucleares de água fervida, também chamadas de BWR (boiling water reactors) faz com que a água que tem contato com o reator passe pelas turbinas diretamente, e seja resfriada externamente igual a água da usina PWR, porém o risco de contaminação, ainda assim muito pequeno, é maior do que em usinas PWR. Elas são menos eficientes do que sua irmã PWR.

Funcionamento

O combustível

Combustível desse tipo de reator é grânulos de U235. O granulo tem formato cilíndrico e não tem mais de 3 centímetros de comprimento e tem eficiência maior do que uma tonelada de carvão mineral. Esses grânulos são colocados em varas com aproximadamente 360 centímetros de comprimento, contendo mais de 200 deles.

O reator

O processo de geração de energia tem início quando os átomos de uranio são partidos pelo processo de fissão. Quando o átomo de U235 é atingido por um nêutron, ele se torna U236 que quando é fissurado, ele se divide em dois outros átomos mais leves como o par bário e criptônio, e libera 3 nêutrons. Esses 3 nêutrons por sua vez atingem outros átomos de U253, repetindo o ciclo em quanto houver material fissuravel no reator. A reação pode ser controlada de diversas formas, como por exemplo varas de controle, que são feitas para absorverem os neutros, e diminuir a velocidade, ou até parar totalmente, a fissão dos átomos de U235.

O pressurizador

O calor produzido no reator é transferido para o primeiro sistema de resfriamento, a água nesse sistema é aquecida até os 320 Celsius mas não evapora pois está sobre pressão.

O gerador

No caso das usinas PWB a água quente vinda do reator passa por muitos canos para aquecer a agua de um segundo tanque. A água desse tanque não está sobre tanta pressão e evapora, passando por turbinas que ao serem giradas produzem grandes quantidades de eletricidade. O vapor de água do Segundo tanque então passa por uma série de tubulações até ser resfriada pela água proveniente de fora do sistema, seja ela de rios, mares ou lagos. Não há contaminação da água vinda do ambiente pois essa não entra em contato com o reator e volta para o ambiente logo após ser usada para resfriar o vapor das turbinas.

Se a usina for do tipo BWR o segundo tanque não existe e a agua do reator é a mesma que passa pelas turbinas e a mesma que é resfriada pala agua do sistema externo. O risco de contaminação nesse reator é maior do que em reatores PWR, porém isso não é significativo suficiente para que eles sejam considerados inseguros.

Acidente nuclear

Ver artigo principal: Acidente nuclear

As instalações nucleares são construções com complexidade elevada, e por isso tem um grau de segurança igualmente elevado. As reações nucleares, por suas características, são altamente perigosas se feitas sem um ambiente controlado, como o de uma usina moderna. Apesar da chance ser pequena existe a possibilidade , principalmente em caso de má operação do reator, que a perda do controle durante o processo pode elevar a temperatura a um valor que levaria à fusão do reator, e/ou ao vazamento de radiações nocivas para o ambiente exterior, comprometendo a saúde dos seres vivos.

Centrais nucleares

Usina nuclear Angra 1 (ao fundo) e Angra 2 (à frente) no Rio de Janeiro, a energia nuclear responde por 4% da energia produzida no país.

No Brasil

• Angra 1
• Angra 2
• Angra 3

Ver também

• Central nuclear almirante Álvaro Alberto
• Energia nuclear
• Fissão nuclear
• Fusão nuclear
• Lista de usinas nucleares
• Radioatividade
• Reações nucleares
• Reatores nucleares
• Stellarator
• Tokamak

Ligações externas

• Instituto Tecnológico e Nuclear (Portugal)
• Conselho de Segurança Nuclear Espanhol
• Forum Nuclear (Espanha)
• Seminário de Energia Nuclear