Energia Nuclear

História da Energia Nuclear

Ernest Rutherford, o descobridor do núcleo atômico, já sabia que estes poderiam ser modificados através de bombardeamento com partículas rápidas. 

  Um resumo sobre Ernest Rutherford:

Ernest Rutherford, o 1º barão Rutherford de Nelson,  (Spring Grove, Nova Zelândia, 30 de Agosto de 1871 —Cambridge, 19 de Outubro de 1937), foi um físico e químico neozelandês que se tornou conhecido como o pai da física nuclear.

Num trabalho no início da carreira, descobriu o conceito de meia-vida radioativa, provou que a radioatividade causa a transmutação de um elemento químico em outro, e também distinguiu e nomeou as radiações alfa e beta. Foi premiado com o Nobel de Química em 1908 "por suas investigações sobre a desintegração dos elementos e a química das substâncias radioactivas“.

Com a descoberta do nêutron ficou claro que deveriam existir muitas possibilidades dessas modificações. Enrico Fermi suspeitava que o núcleo ficaria cada vez maior acrescentando nêutrons. Ida Noddack foi a primeira a suspeitar que "durante o bombardeamento de núcleos pesados com nêutrons, estes poderiam quebrar-se em pedaços grandes, que são isótopos de elementos conhecidos, mas não vizinhos dos originais na tabela periódica.

A fissão nuclear foi descoberta por Otto Hahn e Fritz Straßmann em Berlim-1938 e explicada por Lise Meitner e Otto Frisch (ambos em exílio na Suécia) logo depois, com a observação de uma fissão nuclear depois da irradiação de urânio com nêutrons.

Otto Hahn e Lise Meitner no laboratório.

A primeira reação em cadeia foi realizada em dezembro de 1942 em um reator de grafite de nome Chicago Pile 1 (CP-1), no contexto do projeto Manhattan com a finalidade de construir a primeira bomba atômica, sob a supervisão de Enrico Fermi na Universidade de Chicago.

Tipos de reações nucleares

    A reação nuclear é a modificação da composição do núcleo atômico de um elemento, podendo transformar-se em outro ou outros elementos. Esse processo ocorre espontaneamente em alguns elementos. O caso mais interessante é a possibilidade de provocar a reação mediante técnicas de bombardeamento de nêutrons ou outras partículas. 

Existem duas formas de reações nucleares:

A  Fissão Nuclear , em que  a partícula nêutron (usada no processo por ter carga elétrica nula, que se choca com o núcleo que é positivo) é acelerada em direção ao núcleo do átomo, que geralmente é de U-235 (urânio de número de massa 235), o que o deixa instável em U-236 (urânio de número de massa 236). 

Com isso ele se divide em dois núcleos menores e mais leves, no caso, Ba-144 (bário de número de massa 144) e Kr-89 (criptônio de número de massa 89). 

Há a liberação de energia de ligação nuclear, radiação gama e mais nêutrons, que por sua vez, irão de encontro a novos núcleos atômicos, desintegrando-os novamente em energia, radiação e outros nêutrons que seguirão o mesmo caminho, numa verdadeira reação em cadeia.

      A Fusão Nuclear : é o processo no qual dois ou mais núcleos atômicos se juntam e formam um outro núcleo de maior número atômico.

   A fusão nuclear requer muita energia para acontecer, e geralmente liberta muito mais energia que consome. 

Quando ocorre com elementos mais leves que o ferro e o níquel (que possuem as maiores forças de coesão nuclear de todos os átomos, sendo portanto mais estáveis) ela geralmente liberta energia, e com elementos mais pesados ela consome.

Até hoje, início do século XXI, ainda não foi encontrada uma forma de controlar a fusão nuclear como acontece com a fissão.

Tipos de reatores

      Reatores de fissão: Existem vários tipos de reatores, de água leve , reatores de água pesada , reator de rápido enriquecimento ou "reatores incubadores" ,e outros, dependendo da substância moderador usada. 

      Um reator de rápido enriquecimento gera mais material físsil (combustível) do que consome. A primeira reação em cadeia foi realizada num reator de grafite. O reator que levou o acidente nuclear de Chernobyl, também era de grafite. 

A maioria dos reatores em uso para geração de energia elétrica no mundo são do tipo água leve. A nova geração de usinas nucleares, denominada G3+, incorpora conceitos de segurança passiva, pelos quais todos os sistemas de segurança da usina são passivos, o que as tornam intrinsecamente seguras.

Como reatores da próxima geração (G4) são considerados reatores de sal fundido ou MSR.

Reatores de fusão: O processo baseia-se em aquecer suficientemente núcleos de deutério até obter-se o estado plasmático. Nesse estado, os átomos de hidrogênio se desagregam permitindo que ao se chocarem ocorra entre eles uma fusão produzindo átomos de hélio. 

A diferença energética entre dois núcleos de deutério e um de hélio será emitida na forma de energia que manterá o estado plasmático com sobra de grande quantidade de energia útil.

A principal dificuldade do processo consiste em confinar uma massa do material no estado plasmático já que não existem reservatórios capazes de suportar as elevadas temperaturas a ele associadas. 

Um meio é a utilização do confinamento magnético(Em consiste manter o material que irá fundir num campo magnético enquanto se tenta alcançar a temperatura e pressão necessária.)

Desvantagens da energia nuclear

      O rejeito radioativo de usinas nucleares é normalmente baixo, mas representa um problema pois os elementos contidos no combustível queimado, principalmente os produtos de fissão, demoram um tempo muito longo para decaírem em outros elementos e apresentam alta radioatividade, portanto é necessário que eles fiquem confinados em um depósito próprio onde não possa haver nem interferência humana externa nem interferência ambiental (já que a interferência ambiental pode causar vazamentos e deslocamento dos elementos).

Acidentes:

        O acidente no reator de Chernobyl contaminou radioativamente uma área de aproximadamente 150.000 km² (corresponde mais de três vezes o tamanho do estado do Rio de Janeiro), sendo que 4.300 km² possuem acesso interditado indefinidamente. Até 180 quilômetros distantes do reator situam-se áreas com uma contaminação de mais de 1,5 milhões de Becquerel(unidade de medida da radioatividade ) por km², o que as deixa inabitáveis por milhares de anos.

Um reator nuclear precisa de resfriamento, mesmo em estado desligado, pois os processos de decaimento espontâneos desenvolvem uma quantidade de calor que pode chegar até 10% da força máxima do reator. Caso todos os sistemas de resfriamento falhem, o reator se esquenta, fazendo com que os metais dos combustíveis entrem em fusão, que acontece a temperaturas em volta de 2000°C. Nesse caso existe perigo do combustível fundir um buraco no contêiner de segurança, com a inevitável contaminação radioativa dos arredores da usina. Para evitar tal caso, uma usina nuclear tem cascatas de sistemas de resfriamento.

      Um terremoto da 8,9 na escala Richter e o subsequente tsunami  levou ao acidente nuclear de Fukushima I (nível 7 na escala INES).

A falha de resfriamento fez os níveis de água nos tanques de de arrefecimento baixar, provocando aquecimento dos combustíveis e a formação de hidrogênio em 4 dos 6 blocos da central. As seguintes explosões destruíram os prédios e causaram vazamentos em contêineres de segurança com liberação de matérias radioativos.

Em 1993 uma pessoa demente ultrapassou as barricadas de segurança da usina "Three Mile Island" com um carro e chegou até o salão de turbinas. Nesse momento o reator estava em operação sob plena carga. Foi condenada sob acusação de causar ou arriscar a uma catástrofe e internada em psiquiatria.

Perigos aos funcionários:

Principalmente todo funcionário operando na proximidade de substâncias radioativas está exposto ao risco de contaminação e portanto deve cumprir regras rígidas de segurança radiológica. Mesmo assim, já aconteceram vários imprevistos na história da energia nuclear, nem todos classificados pela Agência Internacional de Energia Nuclear (IAEO).

     Um funcionário do instituto de pesquisa nuclear belga em Mol (EURATOM) sofreu um acidente em 1980 que o expôs a Plutônio-239 e provavelmente o levou a morte por leucemia 8 anos depois. Pesquisas feitas em cachorros, motivadas por esse incidente, demonstraram que 3,24 microgramas de Plutônio-239 absorvidos pelo pulmão resultam em morte por câncer.

Gases de estufa:

      Os insumos necessários e auxiliares à produção da energia nuclear, como a fabricação de recipientes próprios e refinamento do combustível nuclear, ou seja, para operacionalizá-la de forma geral, leva a uma consequente produção de gases de estufa entre 3 e 6 vezes maior comparada com a energia hídrica e eólica.

      A Agência Internacional de Energia Atómica alertou que terroristas poderiam vir a comprar resíduos radioativos, por exemplo de países da ex-URSS ou de países com ditaduras que usam tecnologias nucleares, tais como Irã ou Coreia do Norte, e construir uma chamada "bomba suja".

   O quão fácil é desviar materiais altamente radioativos é demonstrado pelo exemplo do acidente radiológico de Goiânia, no Brasil em 1987, onde uma cápsula contendo Césio-137 foi encontrada por moradores em um lixão, contida dentro de uma máquina hospitalar em um hospital abandonado.

      Uma usina nuclear, justamente por lidar com algo potencialmente perigoso e que já resultou em acidentes no passado, tem normas de segurança tanto nacionais quanto internacionais que garantem que cada procedimento seja feito de acordo com todos os padrões de segurança. 

A  Agência Internacional de Energia Atômica é um órgão internacional regulatório que salva-guarda a construção e uso da energia nuclear no mundo. Os requisitos para a obtenção de salva-guarda são severos e reconhecidos pela exigência em relação à segurança e operação de usinas nucleares; Um dos requisitos para a obtenção de salva-guarda é que a instalação em questão deve ser supervisionada durante toda a sua existência por um grupo internacional de supervisores especializados em segurança radiológica e nuclear.

Vantagens da energia nuclear

       A principal vantagem da energia nuclear é a não utilização de combustíveis fósseis. Considerada como vilã no passado, a Energia Nuclear passou gradativamente a ser defendida por ecologistas de nome como James E. Lovelock por não gerarem gases de efeito estufa. Estes ecologistas defendem uma virada radical em direção à energia nuclear como forma de combater o aquecimento global argumentando que particularmente áreas contaminadas por acidentes nucleares como a região de Chernobyl se tornam em parques ecológicos perfeitos com natureza plena e selvagem.

Em comparação com a geração hidrelétrica, a geração a partir da energia nuclear apresenta a vantagem de não necessitar o alagamento de grandes áreas para a formação dos lagos de reservatórios, evitando assim a perda de áreas de reservas naturais ou de terras agriculturáveis, bem como a remoção de comunidades inteiras das áreas que são alagadas. Outra vantagem da energia nuclear em relação à geração hidrelétrica é o fato de que a energia nuclear é imune à alterações climáticas futuras que porventura possam trazer alterações no regime de chuvas.

Já que a maior parte (cerca de 96%) do combustível nuclear queimado é constituída de Urânio natural, uma grande parte do combustível utilizado nos reatores nucleares é reprocessado em plantas de reprocessamento como a Urenco no Novo México. Cerca de 60% do combustível nuclear é mandado diretamente para o reprocessamento. O reprocessamento visa re-enriquecer o urânio exaurido, tornando possível que ele seja novamente utilizado como combustível.

A parte do combustível que não é reprocessada imediatamente é armazenada para reprocessamento futuro, ou é armazenada semi-definitivamente em depósito próprio.

Cerca de 4% do total do combustível queimado é constituído dos chamados produtos de fissão e da série dos actinídeos, que são originados a partir da fissão do combustível nuclear.

     Estes podem incluir elementos altamente radioativos como o Plutônio, Amerício e Césio. Atualmente esses elementos são separados do urânio que será reprocessado e são armazenados em depósitos projetados especificamente para armazenamento de elementos radioativos ou utilizados em pesquisas.

Toxicidade de radioativos:

A toxicidade baseia-se na radiação emitida pelas substâncias envolvidas na reação nuclear. Assim, tanto o material utilizado, quanto todo entorno serão fonte de radioatividade e, portanto, tóxicos.

A descobridora da radiação ionizante, Marie Curie, sofreu envenenamento radioativo, em 1898, por manipular materiais radioativos levando a inflamação nas pontas dos dedos e no final da vida ela sofreu e morreu de Leucemia.

Aplicação civil:

A fissão nuclear do urânio é a principal aplicação civil da energia nuclear. É usada em centenas de centrais nucleares em todo o mundo, principalmente em países como a França, Japão, Estados Unidos, Alemanha, Suécia, Espanha, China, Rússia, Coreia do Norte, Paquistão e Índia, entre outros.

A percentagem da energia nuclear na geração de energia mundial é de 6,5% (1998,UNDP) e de 16% na geração de energia elétrica. No mês de janeiro de 2009 estavam em funcionamento 210 usinas nucleares em 31 países com ao todo 438 reatores produzindo a potência elétrica total de 372 GW. Um dos 2 países que mais produzem energia nucler são França ( 78%), Lituânia(70%).

Resíduos radioativos:

O rejeito radioativo de usinas nucleares é normalmente baixo, mas representa um problema pois os elementos contidos no combustível queimado, principalmente os produtos de fissão, demoram um tempo muito longo para decairem em outros elementos e apresentam alta radioatividade, portanto é necessário que eles fiquem confinados em um depósito próprio onde não possa haver nem interferência humana externa nem interferência ambiental (já que a inteferência ambiental pode causar vazamentos e deslocamento dos elementos).

Mesmo não representando considerável perigo na forma conhecida por "intoxicação metais pesados", o plutônio mostra-se particularmente tóxico se inalado. Sua toxidade por inalação supera em cerca de 10.000 vezes sua toxidade por ingestão, e a aspiração de minúsculas quantidades deste elemento pode levar - a médio prazo - a uma morte por câncer de pulmão.

Bomba Atômica

     As bombas nucleares fundamentam-se na reação nuclear (fissão ou fusão nuclear) descontrolada e portanto explosiva. A eficácia da bomba atômica baseia-se na grande quantidade de energia liberada e em sua toxicidade, que apresenta duas formas: radiação e substâncias emitidas (produtos finais da reação e materiais que foram expostos à radiação), ambas radioativas. A força da explosão é de 5 mil até 20 milhões de vezes maior, se comparada a explosivos químicos.

A temperatura gerada em uma explosão termonuclear atinge de 10 até 15 milhões de graus Celsius no centro da explosão.

A explosão de Trinity: Na madrugada do dia 16 de julho de 1945, ocorreu o primeiro teste nuclear da história, realizado no deserto de Alamogordo, Novo México, o chamado Trinity test.

O segundo, empregado pela primeira vez para fins militares durante a Segunda Guerra Mundial, foi na cidade japonesa de Hiroshima e o terceiro, na cidade de Nagasaki. 

Essas explosões mataram ao todo cerca de 155.000 pessoas imediatamente, além de 110.000 pessoas que morrerem durante as semanas seguintes, em consequência dos efeitos da radioatividade. Além disso, suspeita-se que até hoje mais 400.000 morreram devido as efeitos de longo prazo da radioatividade.

As bombas termonucleares são ainda mais potentes e fundamentam-se em reações de fusão de hidrogênio ativadas por uma reação de fissão prévia. A bomba de fissão é o ignitor da bomba de fusão devido à elevada temperatura para iniciar o processo da fusão.

Chernobyl

Maquete Usina Nuclear