1. Historia

A teoria da energia nuclear foi antecipada por Albert Einstein em sua Teoria da Relatividade, na qual afirmava que energia igual massa na velocidade da luz (E = mc). Em outras palavras, a massa podia ser convertida em energia se fosse impulsionada na velocidade da luz. A hiptese de Einstein permaneceu apenas na teoria at 1938, quando trs cientistas alemes Otto Hahn, Lise Meitner e Fritz Strassman descobriram que o urnio, quando bombardeado por nutrons, desmembrava-se em brio e criptnio, e liberava enorme quantidade de calor no processo conhecido como fisso nuclear.O fsico dinamarqus Niels Henrik David Bohr, a partir desses experimentos, percebeu o potencial de uso desse processo para criar explosivos, ou a bomba atmica, e viajou para os Estados Unidos para convencer os norte-americanos a assumirem o desenvolvimento daquela arma antes que os alemes o fizessem. Por ironia, o desenvolvimento da energia atmica na Alemanha estava realmente mais avanado em relao a trabalhos semelhantes nos Estados Unidos e poderia ter levado s armas nucleares j no comeo da dcada de 1940, se muitos dos principais cientistas alemes no tivessem imigrado ou sido forados a abandonar sua profisso por serem judeusO primeiro reator nuclear, ou aparelho fabricado para conter uma reao nuclear em cadeia auto-sustentvel, foi construdo numa quadra de squash, embaixo das arquibancadas do estdio Stagg Field, na Universidade de Chicago, sob a direo do fsico italizano Enrico Fermi (1901-1954). Fermi, que havia recebido o Prmio Nobel por seu trabalho com a fsica dos nutrons, propusera a teoria de que uma reao nuclear em cadeia era possvel. O reator de Chicago continha cerca de 50 toneladas (45.400 quilos) de barras de controle de cdmio e 500 toneladas (454.000 quilos) de grafite, esse para retardar a primeira reao nuclear em cadeia controlada, que iniciou em 2 de dezembro de 1942. O Manhattan Engineering District do exrcito norte-americano autorizou a construo do reator como primeira etapa para o desenvolvimento em larga escala de armas nucleares.

2. Mecanismo e Principios Teoricos

"Reator nuclear" todo sistema no qual, sob condies efetivamente controlveis, se processa reaes nucleares que usam como princpio bsico a fisso do ncleo de determinados istopos atravs de nutrons com energias determinadas, gerando a cada fisso uma grande quantidade de energia , produtos de fisso radioativos e nutrons de altas energias, de modo que a taxa de reao mantida constante.

2.1 Inteirao nutron com a matria

No ncleo, como a interao nuclear forte de natureza atrativa, o nutron atua como um elemento de ligao que contrabalana a repulso mtua entre os prtons no ncleo atmico. Assim podemos dizer que o nutron o responsvel pela estabilidade do ncleo atmico.Por no possuir carga eltrica a interao do nutron livre com o campo eltrico dos tomos (tanto dos eltrons quanto dos prtons) desprezvel. Sendo assim, a interao do nutron com o meio material se d essencialmente pela interao direta com os ncleos dos tomos constituintes do meio. Pela inexistncia de repulso coulombiana, como ocorre com prtons e alfas, nutrons de baixa energia se aproximam e penetram no ncleo, iniciando reaes nucleares.Nos reatores nucleares as reaes dada atravs de fisso. Este tipo especial de reao ocorre quando o nucldeo formado pela absoro do nutron apresenta grande instabilidade de massa e fissiona-se em dois fragmentos menores, durante esse processo h uma liberao considervel de energia e, tambm, ocorre a emisso de nutrons e raios gama. Num reator temos nutrons trmicos, epitrmicos (que esto sendo termalizados) e rpidos, que so produzidos nas fisses.O ncleo original e o nutron absorvido formam um ncleo composto. Este ncleo composto j passa a existir num estado excitado e com a energia de excitao colocada em modos coletivos de vibrao. Se a energia de excitao suficientemente grande, em uma dessas vibraes coletivas, o ncleo composto pode assumir uma forma com dois blocos de ncleons separados por uma regio estreita. Ento, se a repulso coulombiana entre esses blocos, que de longo alcance e atua entre os prtons, for mais importante do que a interao nuclear entre os mesmos blocos, que atrativa e de curto alcance, o ncleo composto pode se fragmentar. Este processo acompanhado de liberao de energia porque a energia de ligao por ncleon menor no ncleo que se fissiona do que nos ncleos fragmentos.

Para cada nutron absorvido na fisso de um ncleo so emitidos, em mdia, mais de dois nutrons. Se pelo menos um desses nutrons provoca fisso em outro ncleo e, dos nutrons emitidos nessa nova fisso, pelo menos um provoca outra fisso e assim sucessivamente, tem-se uma reao em cadeia. Em um reator nuclear, o nmero de nutrons disponveis para novas fisses controlado de modo que, em mdia, apenas um nutron por fisso origina nova fisso.

Existem muitos elementos que podem participar de reaes desse tipo, mas comumente so empregados o istopo 235 do urnio, o plutnio e o trio. Os ncleos dos tomos de urnio de ocorrncia natural apresentam-se em dois tipos ou istopos: O istopo 238, encontrado em 99,3% dos minrios de urnio e o istopo 235, que ocorre em apenas 0,7% dos casos. Este ltimo o combustvel mais usual dos reatores.

Fig1: Representao de um reao de fisso nuclear

3. Componentes e materiais principais de um reator nuclear

Em um reator nuclear reaes nucleares em cadeia so iniciadas, controladas e mantidas estacionrias. Os reatores possuem uma estrutura bsica comum que nos permite realizar uma classificao funcional e dos principais materiais utilizados. Esta estrutura bsica composta por:

Combustvel Nuclear: Trata-se do material fssil que ser bombardeado pelos nutrons

Moderadores: tem a funo de moderar a energia dos nutrons produzidos na fisso e tambm servem como refletores na periferia do ncleo do reator de forma a minimizar a fuga de nutrons do ncleo. Portanto os moderadores diminuem a velocidade dos nutrons liberados e possibilitam o prosseguimento da reao em cadeia. Essas barras so feitas por materiais que absorvem nutrons sem sofrer fisso, pois sendo absorvidos, os nutrons no provocaro novas fisses e a velocidade da reao diminuir, assim estes materiais devem conter alta seo de choque de espalhamento, alta energia perdida pelo nutron por coliso e baixa seo de choque de absoro.. Alguns reatores nucleares mais modernos tm usado como moderador a gua pesada (D2O), em que os tomos de deutrio (istopo do hidrognio) ficam no lugar dos tomos de hidrognio.

Refrigerantes tem a funo de retirar o calor gerado no ncleo do reator devido s fisses nucleares. Alguns dos principais requisitos para uso de materiais como refrigerantes so: boas propriedades de transferncia de calor, baixo ponto de fuso, alto ponto de 20 ebulio, baixa radioatividade induzida, alta estabilidade trmica e de irradiao e facilidade e segurana de manuseio. Ex: hlio, CO2, gua leve, gua pesada, metais lquidos (NaK, Na).

Absorvedores / barras de controle - tem a funo de manter de forma controlada a reao em cadeia dentro do ncleo, de forma a alterar o fluxo de nutrons como necessrio homogeneizando a distribuio de potncia no ncleo. Os principais requisitos dos materiais absorvedores so: alta seo de choque de absoro, alta estabilidade trmica, alta estabilidade irradiao, boas caractersticas de transferncia de calor e alta resistncia corroso Ex: boro, cdmio, hafnio, ndio, prata, gadolneo.

Blindagem tem a funo de servir de barreira para a radiao de forma a atenuar os efeitos desta sobre componentes estruturais ou o meio exterior ao reator. Ex: gua leve, elementos de mdio e alto nmero atmico (Pb, Fe, etc.)

Estruturas Os materiais estruturais propiciam uma barreira fsica (para proteo do combustvel), resistncia mecnica e suporte estrutural para os componentes do reator. Os componentes principais so: revestimento de combustveis e estruturas associadas, vaso de presso, estruturas suportes do ncleo, suportes e guias de 21 barras de controle, etc. As propriedades principais que devam possuir os materiais so: baixa seo de choque de absoro de nutrons alta resistncia mecnica alta estabilidade trmica e irradiao baixa radioatividade induzida boas propriedades de transferncia de calor alta resistncia corroso A seleo dos materiais para cada componente estrutural depende do tipo e aplicao do reator. A figura abaixo temos um esquema simplificado dos componentes principais de um reator:

4. Classificaoes dos reatores nucleares

Podemos classificar os reatores nucleares segundo diversos critrios, tais como, por exemplo: o espectro predominante de energia cintica dos nutrons que provocam as fisses (reatores trmicos ou reatores rpidos); de acordo com o meio utilizado como arrefecedor (reatores refrigerados a gua leve, gua pesada, a gs ou metais lquidos); ou de acordo com o propsito ou funo do reator. Neste ltimo caso, a Comisso de Energia Atmica dos Estados Unidos classifica os reatores em trs categorias:

1- reatores de pesquisa e desenvolvimento;2- reatores de produo;3- reatores de potncia.

Nos da primeira categoria, que constituem maioria atualmente, a produo da energia tem aspecto secundrio: so reatores construdos para estudos cientficos e tcnicos, funcionando com baixas potncias (algumas dezenas ou centenas de quilowatts). A nica utilidade imediata de tais pilhas a produo de radio-istopos, importante aplicao prtica da energia atmica, que to grandes servios tem prestado biologia, medicina, agricultura, indstria e tcnica em geral, especialmente com os "indicadores" radioativos. Os reatores de pesquisa oferecem possibilidade para estudos sobre as radiaes (beta, gama) e sobre os fenmenos que elas e os nutrons so capazes de provocar desinteraes atmicas, radioatividade artificial, entre outras coisas. Tais estudos, sobre constiturem ocasio para o progresso da fsica nuclear, permitem aperfeioar o conhecimento de aspectos tericos e prticos dos fenmenos que regem as atuais e as futuras pilhas atmicas. Oferecem tambm informaes de carter tecnolgico - comportamento dos materiais sujeitos s diversas radiaes, importncia do grau de pureza, e questes anlogas - informaes todas muito valiosas para melhoria dos reatores j existentes e para o melhor projeto dos futuros.

Em particular, so tambm as pesquisas desenvolvidas em torno de tais reatores "experimentais" que norteiam o estudo dos reatores da terceira categoria, especialmente destinados produo econmica da energia.As pilhas do segundo grupo tm serventia para o aproveitamento dos materiais "frteis" (U-238 e Th-232), a partir dos quais so fabricados os elementos fsseis plutnio e urnio-233. Ocorre notar que, inicialmente pelo menos, o principal interesse de tais "reatores de produo" lhes advinha das possveis aplicaes blicas do plutnio. O objetivo principal destas pilhas o aproveitamento do calor gerado pelo combustvel, seja para gerao de eletricidade, seja para propulso ou gerao de vapor; e reatores de pesquisa, nos quais o objetivo aproveitar principalmente as radiaes.Os reatores do terceiro grupo so os que visam libertao da energia atmica para fins pacficos, isto , os mesmos fins industriais, e outros, a que servem as demais fontes ordinrias de energia. Podem-se distinguir entre reatores fixos, funcionando por exemplo como usinas centrais de energia eltrica, e reatores mveis, para a propulso de veculos - navios comuns, submarinos, avies e outros. Os primeiros reatores de potncia foram construdos nos Estados Unidos e, aps isso, comearam a surgir novos projetos em andamento em outros pases.

5. Reatores Nucleares e a Medicina

Na medicina, os reatores possuem papel importante na obteno de radioistopos que sero utilizados no tratamento e diagnstico, principalmente nas reas de Medicina Nuclear e Radioterapia.Esses radioistopos so, em geral, associados a substncias qumicas (frmacos) que se associam a rgos ou tecidos especficos do corpo humano.Na medicina nuclear, os radiofrmacos so injetados no paciente, concentrando-se no local a ser examinado e emitindo radiao, que, por sua vez, detectada no exterior do corpo por um detector apropriado, que pode transformar essa informao em imagens, permitindo ao mdico observar o funcionamento daqueles rgos. Os radiofrmacos so utilizados no diagnstico de diversas patologias. Temos como exemplo, o Arsnio-74 utilizado na localizao de tumores no crebro. J o Iodo-131 , entre outras coisas, usado na deteco de anomalias no tratamento da glndula tireoide, entre os produtos mais importantes do est o radioistopo molibdnio-99 (99Mo), que a base de radiofrmacos utilizados em cerca de 80% dos procedimentos de diagnsticos da medicina nuclear.Outra forma de aplicao desses radioistopos produzidos em reatores consiste em se colocar pequenas fontes em contato direto com a rea do tecido a ser irradiada (braquiterapia)

6. Referncias Bibliogrficas

Albiac, L.A. Fundamentos de Tecnologia Nuclear Reatores. Instituto de Pesquisas Energticas e Nucleares. IPEN/CNEN-SP.2004. Bastos, W. S., Uma introduo a reatores rpidos de IV gerao Perrota, J.A. Curso de Introduo Engenharia dos Reatores

Reatores Nucleares

Aluna: Cintia de Almeida Ribeiro Matricula 11011FMD006 1semestre/2015 Disciplina: Fisica da Radioterapia Professor Dr Antonio Ariza