Ciências da Natureza e Suas Tecnologias

FísicaProf. Tadeu Carvalho

A despeito da duradoura preocupação pública com a segurança da *energia nuclear, mais e mais pessoas estão percebendo que pode ser o modo mais amigável ao ambiente de gerar grandes quantidades de eletricidade. Várias nações, incluindo Brasil, China, Egito, Finlândia, Índia, Japão, Rússia, Coreia do Sul, Vietnã e talvez paquistão, estão construindo ou projetando usinas nucleares. Nos Estados Unidos, porém, a última instalação do tipo foi construída há cerca de 30. Se desenvolvida de forma sensata, a energia nuclear seria verdadeiramente sustentável e essencialmente inexaurível, operando sem contribuir para a mudança climática.Em especial, uma forma relativamente nova de tecnologia nuclear poderia superar os principais problemas dos métodos atuais de geração de eletricidade por *fi ssão de átomos – as preocupações sobre acidentes de *reatores, o potencial de desvio de combustível nuclear para armas de destruição em massa e o esgotamento das reservas globais de urânio economicamente disponível. Esse ciclo de combustível nuclear combinaria duas inovações: processamento pirometalúrgico (método de alta temperatura para obter combustível a partir da reciclagem do lixo do reator) e reatores modernos de nêutrons rápidos, capazes de queimar esse combustível. Com essa abordagem, a *radioatividade do lixo gerada cairia para níveis seguros em poucas centenas de anos, assim eliminando a necesidade de segregar o lixo por dezenas de milhares de anos.

para que nêutrons provoquem fi ssão nuclear de forma efi ciente, precisam viajar muito devagar ou muito rápido.A maioria das usinas contém o que são chamados de reatores térmicos, alimentados por nêutrons de velocidade (ou energia) relativamente baixa, ricocheteando dentro de seus núcleos. Embora reatores térmicos gerem calor e, portanto, eletricidade com efi ciência, eles não minimizam a produção de lixo radioativo.

Todos os reatores produzem energia ao quebrar os núcleos de átomos de metais pesados (com alto peso atômico), principalmente urânio e derivados. Na natureza, o urânio aparece como uma mistura de dois isótopos, o facilmente fi ssionável urânio 235 (que é chamado de “físsil”) e o muito mais estável urânio 238.

A queima de urânio em um reator atômico é iniciada e sustentada por nêutrons. Quando o núcleo de um átomo físsil é atingido por um nêutron, especialmente um de movimento lento, ele provavelmente vai se quebrar (fi ssão), liberando quantidades substanciais de energia e vários outros nêutrons. Alguns desses nêutrons emitidos então acertam outros átomos físseis próximos, fazendo com que eles se quebrem, assim propagando uma reação nuclear em cadeia. O calor resultante é guiado para fora do reator, onde transforma água em vapor, que é usado para girar uma turbina que alimenta um gerador elétrico.

LIXO NUCLEAR BEM RECICLADO

Reatores de

nêutrons rápidos

extrairiam muito

mais energia

de combustível

reaproveitado

em usinas,

minimizariam

os riscos da

proliferação

de armas e

reduziriam o

tempo necessário

de isolamento dos

dejetos.

“

”

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FB NO ENEM

O urânio 238 não é físsil; ele é chamado de “fissionável porque algumas vezes ele se quebra ao ser atingido por um nêutron rápido. Ele também é chamado de “fértil”, porque quando um átomo de urânio 238 absorve um nêutron sem se quebrar, ele se converte em plutônio 239, que, como o urânio 235, é físsil e pode sustentar uma *reação em cadeia. Após cerca de três anos de vida útil, quando o combustível usado de um reator é removido em razão do esgotamento de urânio 235, o plutônio já contribui com mais da metade da energia gerada pela usina.

Em um reator térmico, os nêutrons, que nascem rápidos, são desacelerados nas interações com átomos de baixo peso atômico, como o hidrogênio da água que circula pelo núcleo do reator. Todos os cerca de 440 reatores comerciais em operação, exceto dois, são térmicos. A maioria deles – incluindo os 103 reatores de usinas americanas – emprega a água tanto para desacelerar os nêutrons como para transportar o calor criado pela fissão para o gerador elétrico associado. Esses sistemas térmicos são, em sua maioria, o que os engenheiros chamam de reatores de água leve.

Em qualquer usina nuclear, átomos de metais pesados são consumidos conforme o combustível “queima”. Embora as usinas comecem com combustível que teve seu conteúdo de urânio 235 enriquecido, a maior parte desse urânio facilmente fissionável se perde após três anos. Quando os técnicos removem o combustível exaurido, apenas um vigésimo dos átomos potencialmente físsionáveis nele (urânio 235, plutônio e urânio 238) foi usado, de forma que o chamado combustível gasto ainda tem cerca de 95% da energia original. Além disso, apenas um décimo do minério de urânio extraído é convertido em combustível no processo de enriquecimento (durante o qual a concentração de urânio 235 aumenta), de forma que menos de um centésimo do conteúdo de energia total do minéiro é usado para gerar energia nas usinas atuais.

Esse fato significa que o combustível usado dos reatores térmicos atuais ainda tem potencial para gerar muita energia. Como o suprimento mundial de urânio é finito e o crescimento continuado do número de reatores térmicos poderia exaurir as reservas de urânio de baixo custo disponíveis em umas poucas décadas, faz pouco sentido descartar esse combustível “gasto” ou as “sobras” deixadas pelo processo de enriquecimento.

O combustível gasto consiste em três classes de materiais. Os produtos da fissão, que compõem cerca de 5% do combustível usado, são o lixo real – as cinzas do “fogo” da fissão, em uma analogia com uma combustão comum. Eles se resumem a uma coleção de elementos mais leves, criados quando os átomos pesados se quebram. A mistura é altamente radioativa nos primeiros anos. Após uma década, a atividade é dominada por dois isótopos, césio 137 e estrôncio 90. Ambos são solúveis em água, então devem ser armazenados com muito cuidado. Em cerca de três séculos, a radioatividade desses isótopos declina por um fator de mil, a ponto de eles se tornarem totalmente inofensivos.

O urânio compõe o grosso do combustível nuclear gasto (cerca de 94%); esse é o urânio não fissionado que perdeu a maioria do urânio 235 e parece urânio natural (que é apenas 0,71% urânio 235 físsil). Esse componente é apenas levemente radioativo e, se separado dos produtos da fissão e do resto do material no combustível gasto, poderia ser armazenado para uso futuro em instalações que não requerem alta segurança.

O que equilibra o material – a parte realmente preocupante – é o componente transurânico, elementos mais pesados que o urânio. Essa parte do combustível é principalmente composta de uma mistura de isótopos de plutônio, com uma presença significativa de amerício. Embora os elementos transurânicos constituam apenas 1% do combustível gasto, eles são a principal fonte do problema do lixo nuclear hoje. As meias-vidas (o período em que a radioatividade cai pela metade) desses átomos vão até dezenas de milhares de anos, característica que levou o governo americano a exigir que o depósito de lixo nuclear de alto nível planejado para a montanha Yucca, em Nevada, isole combustível gasto por mais de 10 mil anos.

ESTRATÉGIA ANTIQUADA

Os primeiros engenheiros nucleares esperavam que o plutônio no combustível gasto dos reatores térmicos fosse removido e então usado em reatores de nêutrons rápidos do tipo FBR (“reatores criadores rápidos”), na sigla em inglês, porque foram projetados para produzir mais plutônio do que consomem). Os pioneiros da energia nuclear também imaginaram uma economia que envolvesse o comércio livre de plutônio, mas esse elemento pode ser usado para fazer bombas. Conforme a tecnologia nuclear se espalhou além das principais superpotências, o potencial bélico levou a preocupações sobre a proliferação descontrolada de armas.

O Tratado de Não proliferação Nuclear respondeu parcialmente a esse problema, em 1968. países que desejassem os benefícios da teconologia de energia nuclear poderiam assinar o tratado e prometer não adquirir armas atômicas, enquanto as nações já armadas concordariam em ajudar as demais com as aplicações pacíficas. Embora um grupo de inspetores internacionais desde então tenha monitorado a adesão dos membros ao tratado, a eficácia desse acordo internacional tem sido fragilizada pelo fato de que não existem meios de impor a obediência às regras.

Armas nucleares exigem plutônio quimicamente puro e com grande quantidade do isótopo 239. O plutônio das usinas nucleares comerciais em geral contém quantidades substanciais de outros isótopos, tornando difícil usá-lo em bombas, e a purificação é muito cara. A despeito disso, o uso de lixo de reatores em armas não é inconcebível. por isso, o ex-presidente Jimmy Carter baniu o reprocessamento civil de combustível nuclear nos Estados Unidos, em 1977. para ele, se o plutônio não fosse recuperado do combustível gasto, não poderia ser usado em bombas. Carter também quis que os EUA estabelecessem um exemplo para o resto do mundo. Reino Unido, França, Rússia e Japão, no entanto, não seguiram os americanos, e o reprocessamento de plutônio para uso em usinas continua a ocorrer em várias nações.

*ENERGIA NUCLEAREnergia que mantém os prótons e nêutrons juntos no núcleo. pode ser liberada por uma reação nuclear de fissão ou por decaimento radioativo.*FISSÃODivisão de um núcleo pesado em duas partes quase iguais, acompanhada da liberação de energia, além de um ou mais nêutrons.*REATOR NUCLEAREquipamento no qual a reação de fissão em cadeia pode ser iniciada, mantida e controlada. Reatores nucleares são usados na indústria de energia para produzir vapor, gerando eletricidade em usinas termonucleares.*RADIOATIVIDADEFenômeno natural de decaimento espontâneo ou transmutação de um núcleo atômico instável até atingir a estabilidade.*REAÇÃO EM CADEIAReação que estimula a sua própria repetição. Numa reação de fissão em cadeia, um núcleo de um material físsil absorve um nêutron e cinde-se, liberando nêutrons adicionais que por sua vez, são absorvidos por outros núcleos físses, repetindo o processo.

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NOVO MODELO DE USINA

Um ciclo de energia nuclear mais seguro e sustentável para um futuro mais verde poderia ser baseado no reator avançado de metal líquido (ALMR, sigla em inglês), projeto desenvolvido nos anos 1980 por pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne (EUA). Como todas as usinas de energia atômica, um sistema baseado no ALMR dependeria de reações em cadeia no núcleo para produzir calor necessáro e gerar eletricidade. Usinas nucleares comerciais atuais usam reatores térmicos, que dependem de nêutrons lentos para propagar as reações em cadeia em combustível de urânio e plutônio. Um sistema baseado no ALMR, em comparação, usaria nêutrons rápidos (mais energéticos), que podem quebrar também átomos transurânicos pesados e estáveis. O novo reator queimaria combustível reciclado, proveniente de material gasto nos reatores térmicos. Isso significa um melhor aproveitamento do combustível inicial. Na maioria dos projetos de reatores térmicos, a água flui até o núcleo para desacelerar nêutrons e mantê-lo frio. O ALMR, no entanto, emprega uma piscina de sódio líquido circulante como resfriador (1). O sódio não desacelera muito os nêutrons rápidos e conduz calor muito bem, o que melhora a eficiência das usinas.

O sistema de nêutrons rápidos funcionaria assim; a fusão no núcleo do reator aqueceria o sódio que circula no resfriador. parte do sódio quente fluiria para um ciclo intermediário de troca de calor (2). Lá ele transferiria sua energia térmica para sódio líquido não radioativo que corre por tubulações adjacentes, mas separadas (3), de um ciclo de sódio secundário. O sódio não radioativo (4) finalmente levaria o calor à caldeira do gerador a vapor (não mostrado na ilustração).

SEGURANÇA NO REATOR

• Duranteaoperação,bombaspoderosasforçariamoresfriadordesódiopelonúcleo.Seasbombasfalhassem,agravidadefaria circular o resfriador.

• Se as bombas do resfriador falhassem ou parassem, aparelhos de segurança especiais também permitiriam que maisnêutrons (do que na operação normal) escapassem do reator.

• Emumaemergência,seiscilindrosabsorventesdenêutronsdesceriamatéonúcleodoreatorparadesligá-loimediatamente.• Casoasreaçõesemcadeiacontinuassem,milharesdebolasdecarbonetodeboroseriamlançadasnonúcleo,garantindo

o desligamento.

EXERCÍCIOS1. (PUC-Rio/2007)

Homenagens e protestos relacionados aos 20 anos da tragédia de Chernobyl foramrealizados hoje em diversas cidades da Europa (26/04/2006).

http://noticias.terra.com.br/mundo/interna/0,OI979048-EI294,00.html.

A charge apresentada, além de lembrar os tristes acontecimentos ocorridos há vinte anos, após o acidente na usina termonuclear de Chernobyl, na Ucrânia, lembra que seus efeitos ainda estão presentes. Ao que parece, os impactos ambientais no continente europeu continuam a causar preocupação em escala mundial. Das opções a seguir, marque a única que NÃO corresponde a uma preocupação relacionada ao uso e à produção desse tipo de matriz energética.

A) a alta rentabilidade da produção e comercialização de tal energia pode não compensar os eventuais problemas socioambientais e políticos, causados pelo vazamento de lixo tóxico das usinas.

B) os projetos de usinagem termonuclear da atualidade estão ligados, na sua totalidade, a desejos geopolíticos preocupantes de países que têm por objetivo o desenvolvimento de um arsenal nuclear que poderá, dentre outros problemas, acionar conflitos regionais de impactos globais.

C) os custos na construção de um sistema de proteção das usinas termonucleares são muito superiores aos gastos com a manutenção de usinas hidroelétricas, apesar destas, no continente europeu, dependerem dos aspectos morfoclimáticos.

D) o perigo de doenças graves causadas pelo contato com produtos agrícolas, água potável, ar atmosférico e outros materiais contaminados por radioatividade fazem com que, constantemente, movimentos políticos diversos e a sociedade civil organizada lutem pela não proliferação da produção e comercialização desse tipo de energia.

E) o acúmulo de lixo tóxico, gerado pelas usinas, necessita de cuidados especiais de longo prazo e a proteção permanente para os efeitos nocivos da radioatividade não é consenso entre os pesquisadores.

Ar frioAr quente

Fluxo de sódioquente paragerador

Topo do silodo rator

Sistema de refrigeração dear e módulo de exaustão

Abrigo do reator

Fundações do reator

4

3

1

2

Ciclo de sódiosecundario

Bombade sódio

Sódio frio bombeadopara o núcleo quente

Sódio aquecidobombeado para otrocador de calor

Sódio não radioativocirculando entre otrocador de calor e ogerador a vapor

Trocador de calorintermediário

Bomba de sódio

Piscina de sódio líquido

Núcleo quente do reator (barras de combustívelde urânio)

Vaso do reator

Base do silo do reator

Amortecedores(isolante sísmico)

4

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2. (Udesc/2009) Sobre a produção de energia nuclear no Brasil, assinale a alternativa INCORRETA.A) Das quarenta usinas já previstas, além de Angra 3 e 4,

com capacidade de 1000 MW cada, duas ficarão em Santa Catarina.

B) As obras de Angra 3 deverão começar até abril de 2009. O maior desafio para a conclusão das obras são as exigências feitas pelo Ministério do Meio Ambiente, entre elas, uma solução definitiva para o lixo de média e alta radioatividade.

C) A Eletronuclear já se prepara para dar início às obras de Angra 3, cujo projeto está parado há 22 anos.

D) O custo de geração de uma usina nuclear é maior que o de outras fontes, o que pode encarecer o preço médio da energia no país.

E) A energia nuclear responde por uma fatia de 17% da geração elétrica mundial, segundo dados da Eletronuclear de 2006. No Brasil, essa fatia é de 2,5%, de acordo com dados do Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS), também de 2006.

3. Julgue os itens a seguir.

( ) Segundo técnicos e defensores do uso das usinas nucleares para a geração de energia elétrica, a sua implementação para tal finalidade oferece menos riscos diários que os processos de geração de energia empregados por meio de hidrelétricas, termoelétricas e petróleo. Desde que haja segurança operacional nas usinas nucleares, a geração de energia nuclear não oferece danos similares ao derramamento de óleo pelas empresas petrolíferas e à poluição da atmosfera ocorrida no processo das termelétricas.

( ) Apesar de vários grupos de ambientalistas se oporem à produção de energia elétrica nuclear, governos e empresas continuam investindo no setor, destacando-a como uma geradora de energia sem emissão de gases de efeito estufa na atmosfera. porém, os protestos contra as usinas nucleares é referente aos altos custos de construção e aos danos irreversíveis ao meio ambiente e à saúde do ser humano.

( ) Os protestos tiveram novo impulso em março de 2011, depois do acidente na usina nuclear de Fukushima, Japão, depois que o país do sol nascente sofreu um forte terremoto, seguido de tsunami na região nordeste de seu território. Segundo os defensores da produção de energia nuclear, num ambiente de tolerância zero é possível aprimorar o nível de segurança numa usina.

( ) O Brasil possui instalações nucleares na cidade de Angra dos Reis, estado do Rio de Janeiro. Angra 1 e Angra 2 nunca apresentaram riscos ou iminência de acidentes de nível grave. Nos países detentores de usinas nucleares, há políticas de gestão integrada de segurança, no Brasil, esse tipo de política também é empregada para manter a qualidade, proteção do meio ambiente, segurança dos trabalhadores e técnicos envolvidos, e a saúde da população local.

( ) Além de ambientalistas, as usinas nucleares também são criticadas por acadêmicos que apontam a segurança nuclear como algo fantasioso. Os investimentos em energia nuclear tiveram franca expansão nos anos 70 e 80, sobretudo, empurrada pela crise do petróleo. Nesse período, o acidente ocorrido em Three Mile Island, nos EUA, retirou a confiança no setor. Em 1986, o descrédito aumentou depois do acidente na usina nuclear de Chernobyl.

( ) No ano de 1987, o Brasil registrou um acidente nuclear, ocorrido a partir de um material radioativo, no estado de Goiás, quando uma cápsula de material radioativo, o Césio 137, proveniente de um equipamento de raio-x, abandonado num ferro velho. A família proprietária do ferro velho abriu a cápsula e teve contato com um pó amarelo radioativo, a experiência matou 4 pessoas e contaminou 120 pessoas. Nesse caso, a segurança falhou pela ausência de monitoramento no descarte de material e equipamento de base nuclear em sua composição.

( ) As principais vantagens da energia nuclear são: o combustível é barato e pouco (em comparação com outras fontes de energia), é independente de condições ambientais/climáticas (não depende do sol, como usinas solares, ou da vazão de um rio, no caso das hidroelétricas), a poluição gerada (diretamente) é quase inexistente. Não ocupa grandes áreas. A quantidade de lixo produzido é bem reduzido. O custo da energia gerada fica em torno de 40 dólares por MW, mais caro que a energia das hidroelétricas, mas mais barato que a energia das termoelétricas, usinas solares, eólica, etc.

( ) As principais desvantagens da energia nuclear são: alto custo de construção, em razão da tecnologia e segurança empregadas; mesmo com todos os sistemas de segurança, há sempre o risco do reator vazar ou explodir, liberando radioatividade na atmosfera e nas terras próximas, num raio de quilômetros. Não existem soluções eficientes para tratamento do lixo radioativo, que atualmente é depositado em desertos, fundo de oceanos ou dentro de montanhas (existem projetos para enviar o lixo para o Sol, o que poderia ser a solução definitiva, mas muito cara e também perigosa, imagine o que aconteceira se uma das cápsulas que armazenam o lixo explodisse na atmosfera da Terra?)

( ) Os principais componentes que compõem o lixo radioativo produzido nas usinas nucleares, são os produtos da fissão nuclear que ocorre no reator. Após anos de uso de uma certa quantidade de urânio, o combustível inicial vai se transformando em outros produtos químicos, como criptônio, bário, césio, etc, que não têm utilidade na usina. Ferramentas, roupas, sapatilhas, luvas e tudo o que esteve em contato direto com esses produtos, é classificado como lixo radioativo.

BibliografiaScientific American Especial: Aula Aberta 07http://www.infoescola.com/geografia/poluicao-nuclear-lixo-nuclear/http://www.infoescola.com/fisica-nuclear/

GABARITO (V. 23)

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E C C C B

Professor Colaborador: Beto Aquino

OSG: 47694/11 André - RM.: