SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA NUCLEAR ENERGY Sumário da 4ª aula Introdução à Fissão Nuclear Elementos cindíveis Reactor nuclear convencional Central nuclear convencional

1. INTRODUÇÃO À FISSÃO NUCLEAR As reacções de fissão ocorrem quando o núcleo pesado de um elemento cindível captura um neutrão. Os neutrões de baixa energia (lentos ou térmicos) podem causar reacções de fissão somente nos isótopos de urânio e plutónio com um número ímpar de neutrões (U233, U235 ou Pu239). A fissão de núcleos com um número par de neutrões é apenas possível quando o neutrão incidente possui energia maior que 1 MeV Secções eficazes de colisão de neutrões para a fissão dos núcleos de urânio e plutónio

Um reactor rápido não possui moderador. A probabilidade de uma reacção de fissão é proporcional à secção eficaz de colisão, a qual aumenta quando diminui a energia do neutrão. É por isso que num reactor nuclear convencional existe um moderador, cuja função consiste em reduzir a energia dos neutrões até aos valores da energia cinética média dos átomos cindíveis que os rodeiam. Um reactor rápido não possui moderador. Distribuição, em percentagem, dos produtos resultantes da fissão do U235

2. ELEMENTOS CINDÍVEIS Os elementos cindíveis usados em reacções de fissão nuclear são o urânio, o plutónio e o tório. O urânio é um elemento cerca de 1.7 vezes mais denso que o chumbo, composto por átomos com um núcleo com 92 protões e um número variável e elevado de neutrões: 143, 233, 235 ou 238 consoante o isótopo considerado. O U235 é um isótopo cindível porque o seu núcleo é hit por um neutrão lento, formando-se como produtos das reacções elementos com massas atómicas entre 95 e 135, tais como, Ba, Kr, Sr, Cs, I e Xe.

U235 + n  Ba144 + Kr90 + 2n + energia Algumas reacções típicas são: U235 + n  Ba141 + Kr92 + 3n + 170 MeV U235 + n  Te139 + Zr94 + 3n + 197 MeV Os isótopos de bório e de krypton decaiem posteriormente para isótopos mais estáveis de neodynium e ytrium, através da emissão de vários electrões do núcleo (decaimento-b). É este decaimento, com alguns raios- que lhe estão associados, que tornam os produtos da fissão muito radioactivos.

O U238 não é cindível num reactor convencional, mas é um isótopo fértil na medida em que se transforma num elemento cindível (P239) através da captura de um neutrão. U238 + n  U239  Np239+ Partícula-   Pu239 + Partícula- Pu239 + n  Pu240 Pu240 + n  Pu241  American241 + Partícula-  O plutónio P239 comporta-se num reactor como o U235, isto é, é condível através da captura de um neutrão térmico. Contudo estas reacções de fissão têm uma fluência de neutrões ligeiramente maior. As reacções de fissão do plutónio que ocorrem num reactor nuclear são responsáveis por cerca de um terço da energia gerada. As massas dos produtos destas reacções estão distribuídas à volta de 100 e 135.

As reacções de fissão nuclear podem ser usadas nas bombas nucleares ou de uma forma controlada para benefício da Humanidade. Neste último caso, podemos utilizar quer a energia quer a radiação e/ou os neutrões produzidos nestas reacções. A energia libertada é usada na: Propulsão de submarinos e foguetões nucleares, Geração de electricidade nas actuais centrais nucleares Dessalinização da água dos oceanos Produção de hidrogénio para alimentar uma nova geração de veículos motorizados. Os neutrões e a radiação são utilizados em aplicações científicas ou médicas.

Henri Becquerel identificou, em 1896, a radiação natural do urânio A primeira experiência de fissão nuclear foi realizada em 1938 em Berlim por Otto Hahn, Lise Meitner e Fritz Stassmann. A primeira reacção em cadeia foi feita em 1942, em Chicago, por Enrico Fermi. A geração de electricidade (100 kW) foi conseguida pela primeira vez em 1951, num reactor da classe EBR-1, em Arco, nos Estados Unidos

3. REACTOR NUCLEAR CONVENCIONAL Um reactor nuclear convencional é um dispositivo blindado onde reacções de fissão nuclear em cadeia são iniciadas, controladas e mantidas a uma taxa estacionária. As suas componentes principais são: O combustível, normalmente U235, U238, Pu239, T232 ou misturas destes três elementos como, por exemplo, a mox, uma mistura de óxidos de urânio e plutónio; O moderador, normalmente água, água pesada, hélio, grafite ou sódio metálico, o qual reduz a energia dos neutrões até que eles atinjam a energia cinética média dos átomos cindíveis que os rodeiam. Num reactor que usa urânio natural, o moderador deve ser grafite ou água pesada. Nos reactores que operam com urânio enriquecido pode ser usada água. Os reactores nucleares estão preparados para, nas situações de emergência, adicionarem boro à água, já que aquele elemento ajuda a controlar as reacções de fissão.

Esquema de uma central nuclear, baseada num reactor de água pressurizada

O permutador de calor, normalmente água, água pesada, dióxido de carbono, hélio ou sódio metálico, o qual transfere a energia produzida pelas reacções de fissão para a turbina; O reflector, normalmente, água, água pesada, grafite ou urânio, o qual aumenta a eficiência do reactor através da diminuição das perdas de neutrões; A blindagem, feita normalmente com betão, chumbo, aço ou água, a qual evita a emissão de radiação gama e de neutrões rápidos; As barras de controlo, usualmente de cádio ou boro, as quais absorvem muito bem os neutrões de modo a controlar as reacções em cadeia; Os sistemas de controlo e segurança.

Os reactores nucleares podem ser usados para produzir: Combustíveis nucleares (breeder reactors), neutrões e/ou outros produtos ou fontes radioactivas para aplicações científicas ou médicas (reactores de investigação); Calor para potência nuclear para utilização em submarinos e foguetões nucleares ou para a geração de electricidade (reactores de potência). Há, actualmente, no mundo cerca de 900 reactores nucleares, sendo 260 do tipo reactor de investigação e 220 para alimentação de submarinos nucleares.

4. CENTRAL NUCLEAR CONVENCIONAL As centrais nucleares, convencionais, são dispositivos que geram grandes quantidades de electricidade, a partir de reacções de fissão nuclear realizadas num ou mais reactores. A primeira central nuclear, localizada em Obninsk, na ex-União Soviética, injectou em 1954, de uma forma experimental, 5 MW de electricidade na rede pública. A primeira central nuclear comercial foi instalada em Sellafield, no Reino Unido, com uma potência inicial de 50 MW, posteriormente aumentada para 200 MW. A potência nuclear instalada cresceu inicialmente de uma forma muito rápida, passando de menos de 1 GW em 1960 para 100 GW no final da década de 70 e para mais de 300 GW no final dos anos 80.

Posteriormente, e devido ao impacte na opinião pública dos acidentes em Three Mile Island (em 1979), Chernobyl (em 1986) e Toikamura (em 1999), o ritmo de construção de novas centrais nucleares diminui fortemente, tendo mesmo alguns países (Austria (em 1978), Suécia (em 1980) e Itália (em 1987)) decidido formalmente não construir centrais nucleares ou mesmo descontinuar as já existentes. Mais recentemente, alguns países como, por exemplo, a China e a Índia, decidiram construir centrais nucleares, como forma de responder ao grande aumento do consumo de electricidade. A potência nuclear atingiu cerca de 360 GW em 2005. Há, actualmente, cerca de 440 centrais nucleares em operação em todo o mundo, especialmente concentradas na Europa, América do Norte e Ásia.

País CN (nº) E (%) África do Sul 2 6 Alemanha 17 31 Argentina 7 Arménia 1 43 Bélgica 56 Brasil Bulgária 4 44 Canadá 18 15 China 10 Coreia do Sul 20 45 Eslováquia Eslovénia 42 Espanha 8 Estados Unidos 103 19 Finlândia 33 França 59 79 Holanda Hungria 37 Índia 16 3 Japão 55 29 Lituânia 70 México 5 Paquistão Reino Unido 23 República Checa Roménia 9 Rússia Suécia Suiça 32 Taiwan Ucrânia 49 Número de centrais nucleares (CN) e o seu peso na geração de electricidade (E)

Estas centrais satisfazem cerca de 7% do consumo mundial de energia, através da geração de aproximadamente 16% da electricidade consumida. Actualmente, o debate sobre a energia nuclear está a regressar, motivado pelos seguintes factos: Muito provavelmente, ser difícil atingir os objectivos do Protocolo de Quioto sem o recurso a todas as energias limpas. A indústria nuclear tem feito progressos muito significativos que tornam os actuais reactores nucleares muito mais seguros e eficientes do que os do passado. Em consequência deste facto, há 28 novas centrais nucleares em construção e 62 planeadas, com incidência especial na Ásia.

País P C Bulgária 2 China 13 5 Coreia do Norte 1 Coreia do Sul 7 França Índia 4 Irão Japão 11 Rússia 8 3 Ucrânia Finlândia Roménia Centrais nucleares planeadas (P) ou em construção (C)