Como funciona uma usina nuclear?

A física da fissão nuclear

O método que as usinas nucleares utilizam para obter energia elétrica é chamado de fissão nuclear e consiste na quebra de átomos grandes em menores. Apesar de ser um processo físico extremamente complexo com inúmeras variáveis ele pode ser explicado e assimilado facilmente.

A fissão de núcleos atômicos ocorre devido ao lançamento de um nêutron em alta velocidade no átomo, ou seja, partículas chamadas nêutrons são lançadas na direção de um átomo e o nêutron se funde ao núcleo deste átomo causando um desequilíbrio no átomo. Esse desequilíbrio causado pelo nêutron faz com que o núcleo do átomo, agora totalmente instável e incapaz de continuar coeso, se separe formando outros dois átomos e liberando outros nêutrons.

A liberação destes novos nêutrons devido a fissão do primeiro núcleo atômico cria uma reação em cadeia na qual cada átomo fissurado possibilita a fissura de outros dois átomos, que por sua vez serão responsáveis pela fissura de mais dois átomos. A reação continua até que todo material físsil seja fissurado incapacitando os nêutrons livres de criar novas fissões nucleares.

Criando material fissionável: o enriquecimento de urânio

Agora que já sabemos como os princípios da fissão nuclear funcionam, precisamos encontrar o material certo para isso. Nem todos os átomos da natureza são capazes de sofrer uma fissão nuclear induzida (urânio-238). No planeta Terra o elemento químico urânio é comum, porém o tipo de urânio que pode sofrer uma fissão induzida é bastante raro (urânio-235).

Estima-se que para cada 1.000 átomos de urânio apenas 7 são de urânio-235 e 993 são de urânio-238. Faz-se necessário então criar um processo que, de alguma forma, transforme os átomos de urânio-238 em urânio-235 e este é o chamado enriquecimento de urânio. Então se um tablete de urânio que sofreu transformações físicas para aumentar a taxa de urânio-235 é chamado de urânio enriquecido.

Antes de se enriquecer o urânio é necessário retirá-lo da natureza. Caminhões trazem das minas de escavação o mineral bruto cuja porcentagem de urânio é inferior a 0,5%. O urânio, em estado sólido, é separado dos demais minerais e transformado em gás através de reações químicas e recebe o nome de hexafluorido de urânio. Esse composto gasoso, agora, sofrerá um processo no qual o resultado será a separação dos átomos de urânio-235 dos átomos de urânio-238. Este método pode ser a difusão gasosa ou a ultracentrifugação. No término do processo haverá quantidades mais concentradas de urânio-235 na quantidade exata requerida.

Produzindo energia elétrica na usina nuclear

Existem diversos tipos de usinas nucleares, entretanto seu princípio é fundamentalmente o mesmo. As pastilhas, péletes (forma de pílula) ou ainda varetas de urânio, são responsáveis por todo o processo de geração de energia. Ele se inicia com a reação nuclear de fissão que gera um enorme volume de energia que tem como subproduto o calor. Esse calor será utilizado para aquecer grandes quantidades de água. A água nos reatores possui dois papéis importantes: por um lado é responsável por girar uma turbina que por sua vez gira um gerador elétrico que é o equipamento que cria a energia elétrica e por outro é responsável por ajudar a controlar a temperatura da fissão, caso contrário o urânio poderia superaquecer e derreter.

O vapor de água passa pela turbina à temperaturas extremamente altas. Esse vapor é resfriado por um sistema de troca de calor, que pode ser um sistema isolado com, por exemplo, líquidos ou gases refrigerantes com a finalidade de transformar o vapor em água líquida para o ciclo continue. Usinas nucleares que possuem esse sistema podem operar em temperaturas mais altas produzindo assim mais energia. Hastes de controle são introduzidas no sistema para, juntamente com a água, ajudar a controlar a temperatura do reator. Essas hastes possuem a capacidade de absorver nêutrons, impedindo assim futuras quebras atômicas que estes desencadeariam reduzindo, portanto, a temperatura do sistema. A quantidade de hastes depende de cálculos precisos feitos de acordo com o nível de enriquecimento de urânio, capacidade de resfriamento da água entre outros fatores.

As turbinas, que são impulsionadas pelo vapor, giram rapidamente devido a pressão do gás que passa em alta velocidade. Utilizando um princípio parecido com a utilizada por usinas hidroelétricas, as usinas nucleares transformam a energia cinética do gás em energia mecânica que gira as turbinas que por sua vez girará um gerador elétrico. Esse gerador irá criar energia elétrica que será levada para torres de transmissão e distribuída na rede de energia.

As vantagens e desvantagens da usina nuclear

Apesar da possibilidade de acidentes ao longo da vida de uma usina nuclear é comprovada a eficácia destas estruturas em desempenhar sua função e produzirem energia de forma muito mais limpa. Uma das principais vantagens que podem ser citadas é a quantidade de urânio-235 necessária para produzir energia. Apenas 10g de urânio podem ser suficientes para produzir a mesma quantidade de energia que 700 kg de petróleo e 1200 kg de carvão. A eficiência das usinas nucleares é fantástica comparando-a com a eficiência de uma usina termoelétrica, por exemplo. As usinas nucleares não lançam gases estufa no planeta, logo elas não contribuem para o aquecimento global. É uma forma muito mais limpa de produzir energia elétrica.

Em relação às desvantagens de uma usina nuclear, podemos citar alguns itens. Um dos principais problemas que uma usina nuclear pode causar é o lixo radioativo. Esse material é resultado da fissão nuclear e por ser radioativo não pode ser deixado exposto uma vez que essa radiação causaria problemas para a fauna e flora da região em que o material se encontra. O lixo radioativo de uma usina nuclear pode demorar centenas de anos para perder suas propriedades radioativas, todavia não são uma ameaça maior que os dejetos produzidos por outros tipos de usinas, uma vez que o material radioativo só precisa ser armazenado em lugares protegidos sem jamais causar qualquer tipo de problema. Enquanto as usinas nucleares apresentam como subproduto apenas o material radioativo que só precisa ser armazenado de forma devida, usinas como termoelétricas produzem como subprodutos dióxido de carbono e outros gases que são acusados de acelerar o aquecimento global.

Existe ainda um fator de risco, muito mais evidente, que é a possibilidade de explosão de uma usina nuclear. Como vimos, os processos de fissão resultam em um aquecimento considerável do urânio. Esse aquecimento, se não for controlado, pode causar a fusão do reator e originar um acidente nuclear de grandes proporções. Esse tipo de acidente nuclear é problemático, pois a radiação do urânio iria ser levada pelos ventos da atmosfera e se espalhar por uma grande área, afetando diversos seres. E este é o grande risco de se ter uma usina nuclear, a possível ruptura da usina e liberação de material radioativo.

Impactos de acidentes das usinas nucleares

Assim, não podemos esquecer dos graves impactos que já foram ocasionados em decorrência de algum problema nas usinas nucleares. O mais recente, como bem sabemos, aconteceu na Usina de Fukushima, no Japão. Após um terremoto seguido de tsunami, o Japão enfrentou um sério problema em suas usinas que foram danificadas. Mesmo com todos os procedimentos necessários serem tomados, foi inevitável a evitar saída de material radioativo. As pessoas que ainda se encontravam perto das usinas foram obrigadas a deixar suas casas em decorrência do grande risco de exposição.

Também não podemos esquecer outros importantes acontecimentos em relação a energia nuclear. No ano de 1986, a cidade de Chernobyl, na Ucrânia, se transformou em um palco de horrores, na ocasião, um vazamento de material radioativo obrigou mais de 200 mil pessoas a deixar suas casas. As consequências desse fato geram problemas até hoje, além de inutilizar vários hectares de terra, muitas pessoas ainda sofrem com problemas de saúde, incluindo os descendentes de quem estava presente no local.

Apesar de sempre existir a possibilidade do vazamento da radiação isso é extremamente improvável. De fato, durante toda a história das usinas nucleares o único acidente que ocorreu devido a falha humana foi o de Chernobyl em 1986. Graças aos rígidos protocolos de segurança que essas usinas são obrigadas a seguir as chances de uma usina explodir são realmente muito pequenas.