Hoje, o assunto do nosso post será bem diferente dos temas corriqueiros que abordamos.
Como estou cursando mestrado no Instituto de Pesquisa Energética e Nuclear IPEN da USP, sinto-me na obrigação de divulgar esses temas, que é pouco compreendido pela maioria das pessoas.
Trata-se da reprodução de um trabalho avaliativo que eu escrevi para a disciplina TNM 5788 – Materiais e o Ciclo do Combustível Nuclear onde abordamos os princípios da energia nuclear na geração de energia elétrica, desde os aspectos teóricos, até a produção do combustível nuclear a base de urânio.
Também abordamos a produção do Plutônio e Combustível de Óxido Misto (MOX) a base de Urânio e Plutônio.
Importante salientar, que devido as limitações de postagens na internet, tivemos que adaptar a notação dos isótopos, como por exemplo:
1. INTRODUÇÃO
Desde os primórdios da nossa civilização, a energia sempre foi um fator fundamental para o desenvolvimento humano.
Inicialmente a fonte principal era a madeira, que era queimada para se obter aquecimento ou cozinhar alimentos, por exemplo.
Com o avanço da sociedade, novas fontes foram sendo descobertas ou desenvolvidas, sendo o início do uso do petróleo, um grande marco.
No entanto, ele, o petróleo, é uma fonte não-renovável, ou seja, um dia irá acabar.
Sendo assim, desenvolver novas tecnologias é fundamental para assegurar o avanço da humanidade nos tempos futuros.
Além disso, questões ambientais relativas à queima de combustíveis fósseis também são bastante discutidas e relevantes para se buscar alternativas.
Entre as opções, temos a energia nuclear, que embora tenha seus riscos, é uma das fontes que gera menos impacto ambiental, tendo em vista que uma pequena quantidade de material produz uma grande quantidade de energia.
2. A Energia Nuclear
2.1. Aspectos Históricos da Teoria Nuclear
Embora a discussão sobre a composição da matéria seja de longa data, desde a Grécia antiga, a primeira teoria atômica foi proposta por John Dalton em 1808 e é conhecida como modelo da esfera rígida. Noventa anos mais tarde, Joseph John Thomson propôs mais um modelo, conhecido como pudim de ameixas.
Este modelo, foi substituído pelo modelo atômico de Ernest Rutherford, sendo aprimorado por Niels Bohr, e hoje conhecido como modelo atômico de Rutherford-Bohr.
A descoberta do raio X, por Wilhelm Conrad Röntgen, no século XIX também foi um importante marco para o estudo da energia nuclear e radiação.
Vários outros cientistas trouxeram contribuições importantes para o estudo da energia nuclear, mas foi Enrico Fermi que conduziu os estudos que culminaram na criação e teste do primeiro reator nuclear em dezembro de 1942, referência para os reatores nucleares existente hoje em dia.
2.2. O Átomo
Embora já se saiba mais detalhes sobre os átomos o modelo de Rutherford Bohr já é suficiente para explicar as reações nucleares.
Esse modelo propõe que o átomo é formado por um núcleo composto pelos nêutrons e prótons e uma eletrosfera onde orbitam os elétrons.
Os nêutrons e prótons, que formam o núcleo do átomo são chamados de nuclídeos. Estes são partículas elementares. O nêutron possui carga elétrica neutra, enquanto os prótons carga elétrica positiva. Os elétrons, por sua vez, carga elétrica negativa.
Em termos de massa, os elétrons são bem menores dos que os nuclídeos, de tal forma, que a massa do átomo é quase a soma das massas dos prótons e nêutrons. Diz-se “quase”, porque quando nuclídeos se juntam, há liberação de energia.
Essa energia pode ser calculada pela equação proposta por Einstem, E = m.c2 (energia igual a massa vezes a velocidade da luz no vácuo ao quadrado).
Esse modelo é ilustrado na figura abaixo:
Figura 1 – Modelo atômico de Rutherford Bohr
Fonte: Site Conhecimento Científico
2.3. Conceito de Radiação Ionizante
Radiação pode ser entendida como uma forma de propagação de energia, seja por meio de ondas eletromagnéticas, partículas como elétrons, prótons ou nêutrons.
Podemos citar como exemplo, a luz solar, as ondas de rádio, os raios X, os raios gama, entre outras.
Existem átomos que são estáveis, enquanto outros que são instáveis. Isso significa que eles se transformam espontaneamente e durante essa transformação acontece uma liberação de energia na forma de radiação.
Se o tipo e (ou) a intensidade dessa radiação for suficiente para interagir com outros átomos e ionizá-los, chamamos de radiação ionizante.
À medida que o átomo vai se transformando, dá-se o nome de decaimento.
A emissão de dois prótons e dois nêutrons, dá-se o nome de decaimento alfa e a emissão de elétrons de decaimento beta. Existem situações em que somente a emissão de partículas não é suficiente para a estabilização do nuclídeo, é quando acontece uma liberação grande de energia na forma de ondas eletromagnéticas como fótons, recebendo o nome de raios gama. O raio X é semelhante, porém com menor intensidade.
Elementos que emitem radiação são chamados de elementos radioativos. Caso seja um isótopo, átomos que possui mesmo número de prótons, mas com número de neutros diferentes, recebem o nome de elementos radioisótopos.
A radiação pode ser aproveitada de diversas formas como na medicina diagnóstica ou para fins energéticos.
2.4. A Fissão Nuclear e a Reação em Cadeia
A fissão nuclear é o nome que se ao processo de separação de um átomo pesado maior em dois menores. Isso acontece por meio do choque de um nêutron no núcleo do átomo em questão. Nessa separação acontece uma liberação de energia térmica. Também são liberados outros dois ou três nêutrons. Estes por sua vez irão atingir outros núcleos e o processo se repete, recebendo o nome de reação em cadeia.
Esse processo está ilustrado na figura 2, a seguir:
Figura 2 – Processo de fissão nuclear e reação em cadeia.
Fonte: Site Brasil Escola
Se a reação não for controlada, teremos uma liberação muito grande de energia. Esse é o princípio da bomba atômica.
A reação pode ser controlada com o uso de materiais absorvedores de nêutrons, como o bório, cádmio, cobalto, índio, entre outros.
2.5. Os Riscos da Radiação e da Energia Nuclear
Como falamos anteriormente, durante o processo de radiação há liberação energia. Portanto, existem riscos em função da intensidade ou frequência de exposição.
Para evitar problemas, medidas de segurança devem ser tomadas.
No caso da energia nuclear, muitos pensam na bomba atômica ou nos acidentes de Chernobyl na antiga União Soviética, hoje Ucrânia em 1986 ou, mais recentemente, de Fukushima, em 2011 no Japão devido a um Tsunami.
Outro medo generalizado em relação a uma usina nuclear, por exemplo, é dela explodir como uma bomba atômica, mas isso é possível?
Na verdade, não. O elemento químico mais usado nas aplicações nucleares é o urânio e em menor proporção, o plutônio.
O isótopo mais apropriado do urânio para obtermos a fissão nuclear é o urânio 235 (235U) que é encontrado naturalmente na proporção de 0,72% e o restante está na forma do urânio 238 (238U).
O processo de transformar (238U) em (235U) é chamado de enriquecimento de urânio. As aplicações nucleares usadas para a finalidade de geração de energia térmica utilizam por volta de 5% de urânio isótopo (238U) enquanto as bombas atômicas esse percentual é acima dos 90%.
Como em qualquer processo industrial, existem riscos inerentes ao seu processo de utilização e com a energia nuclear não é diferente.
Esses riscos são minimizados com projetos cada vez mais robustos e controles de segurança cada vez mais rigorosos.
Também a legislação correspondente em todo o mundo é bastante criteriosa tanto nas questões de projetos como em questões de operação.
2.6. O Uso da Radiação e da Energia Nuclear
A radiação pode ser aproveitada para diversas aplicações, como na medicina diagnósticas ou de tratamento, com os chamados radiofármacos, ou na agricultura e alimentação, com tratamentos de purificação e eliminação de bactérias
Outro uso bastante importante está na área de geração de energia elétrica ou aquecimento, cuja essência está em aproveitar a energia térmica liberada durante o processo de decaimento ou de fissão nuclear.
A geração de energia elétrica, por exemplo, pode ser feita com adaptação de uma termoelétrica convencional com ciclo termodinâmico de Rankine, ilustrada na figura 03, que utiliza uma caldeira para queimar algum tipo de combustível, fornecendo assim, calor a água para transformá-la em vapor. A usina nuclear utiliza um reator nuclear no lugar da caldeira, conforme ilustrado na figura 04.
Figura 3 – Usina Termoelétrica Convencional
Fonte: CNEN
Figura 4 – Usina Eletronuclear.
Fonte: CNEN
2.7. A Vantagem da Energia Nuclear
A principal vantagem da energia nuclear é sua característica de possuir uma grande quantidade energia em uma pequena quantidade de material. Sobretudo, nas aplicações que são usadas a fissão nuclear. Na figura 5 mostramos um comparativo em termos de quantidade de produto necessário para produzir uma determinada quantia de energia térmica. Note que dez gramas de urânio têm a mesma energia do que 700 quilogramas de óleo ou 1.200 quilogramas de carvão.
Figura 5 – Comparativo de energia disponível entre urânio, óleo e carvão
Fonte: CNEN
O material radioativo utilizado nos reatores nucleares é chamado combustível nuclear, embora eles não sejam queimados de fato e sim, sofrem o processo de fissão nuclear, já mencionados anteriormente.
3. COMBUSTÍVEIS NUCLEARES E OS SEUS CICLOS
3.1. Introdução
Como mencionado anteriormente, para que aconteça a liberação de energia é necessário que ocorra a fissão do núcleo do átomo pesado, ou seja, que ele se “quebre” em outros dois mais leves.
Este processo pode acontecer, principalmente, quando o núcleo é bombardeado por um nêutron. Este, é classificado de acordo com a energia que possui, no caso, nêutron térmico ou lento (energia mais baixa), nêutron epitérmico (energia intermediária) e nêutron rápido (alta energia).
Assim, para que um elemento seja considerado um combustível, a primeira característica que ele deve possuir é ser fissionável, ou seja, que ele possa sofrer fissão nuclear. Se ela ocorrer por meio de um nêutron térmico, tem-se um material físsil. Isso significa que a reação irá acontecer mais facilmente, tendo em vista, que o nêutron tem energia mais baixa.
Como exemplo, podemos citar os isótopos de Urânio. O 235U (urânio isótopo 235) é físsil, enquanto que o 238U (urânio isótopo 238) é fissionável. Isso significa que o 235U pode ser fissionado por qualquer nêutron, principalmente, os térmicos, enquanto o 238U somente é fissionado por nêutrons rápidos. No entanto, o 238U não atingi a criticidade
(Criticidade é o termo utilizado quando se tem uma reação em cadeia no reator, ou seja, a fissão nuclear continua acontecendo sucessivamente).
Esse é um dos motivos, pelos quais, a maioria dos reatores nucleares, utilizam urânio enriquecido em até 4% de 235U.
3.2. Os Isótopos Físseis Mais Usados em Combustíveis Nucleares
A característica desejável em um combustível nuclear é que ele consiga manter a reação em cadeia. Nesse sentido, o material deve possuir a quantidade mínima necessária de materiais físseis para que isso aconteça.
Dentre os isótopos físseis existentes, os mais utilizados são 233U (urânio isótopo 233), 235U (urânio isótopo 233), 239Pu (plutônio isótopo 239) e 241Pu (plutônio isótopo 241).
Destes, apenas o 235U é encontrado na natureza, mesmo assim, em taxas bem pequenas (0,72% do total encontrado). Os demais, podem ser obtidos a partir do 238U que absorve nêutrons quando é bombardeado.
3.3. O Ciclo do Combustível Nuclear - Urânio
Como citado anteriormente, o urânio é único elemento físsil/fissionável encontrado na natureza, no entanto, ele não é encontrado como um elemento separado, ou seja, em átomos de urânio apenas.
Ele é encontrado, mais frequentemente, na forma de U3O8 (Octóxido de triurânio).
Depois de minerado e beneficiado, o U3O8 é convertido em UF6 (hexafluor de urânio) que é sólido na temperatura ambiente e na pressão atmosférica o que facilita o manuseio. É facilmente convertido para gás, por sublimação a temperaturas superiores a 57º C. Este, por sua vez, passará pelo processo de enriquecimento isotópico.
Existem vários processos de enriquecimento de urânio, mas não será abordado nesse trabalho.
Uma vez obtido o enriquecimento do urânio na proporção desejada, o próximo processo é a reconversão que consiste no tratamento que converte o UF6 em pó de UO2 (dióxido de urânio).
Como subproduto do processo descrito, tem-se o urânio empobrecido, que será abordado mais adiante.
Por fim, tem-se a fabricação do combustível, propriamente dito, que depois será utilizado no reator.
Ele, o combustível, é produzido em forma de pastilhas de UO2 cerâmicas de alta densidade e com precisão dimensional por meio do processo de metalurgia do pó, frequentemente chamada de sinterização.
A escolha por UO2 deu-se devido a sua estabilidade química e térmica a altas temperaturas (aproximadamente 2800º C), entre outras características, tais como, alto ponto de fusão, baixa reatividade entre a água e o dióxido de urânio, baixa dilatação, poucos danos quando submetidos à radiação, alta densidade (10,96 g/cm3), entre outras.
Por outro lado, ele possui baixa condutividade térmica, fragilidade quando submetido a gradientes de temperatura elevados, entre outras características.
Para fechar o ciclo, tem-se duas opções, que são o reprocessamento e gerenciamento do rejeito radioativo.
3.4. Urânio Empobrecido
Para cada tonelada de urânio natural produzida, obtém-se cerca de 130 kg de combustível enriquecido.
O restante é o urânio empobrecido, contendo por volta de 0,22% de 235U.
Este material, normalmente é reconvertido para U3O8 e então estocado. Estima-se que o estoque mundial desse material é de 1,6 milhão de toneladas, armazenado, principalmente, nos EUA, Europa e Rússia.
A princípio, o produto não teria uso, no entanto, com o desenvolvimento do combustível de óxido misto (MOX), ele passa a ser uma fonte importante de combustível nuclear.
3.5. A Produção do Plutônio (Pu)
Já foi mencionado que o 238U quando bombardeado por nêutrons, pode absorvê-los.
Quando isso acontece, tem-se a transmutação de 238U para o 239Pu, 240Pu, 241Pu ou 242Pu.
Os isótopos 239Pu e 241Pu são físseis, este sofre decaimento beta para 241Am (Amerício), enquanto aquele sofre decaimento alfa para 235U.
Em torno de 2/3 do plutônio gerado é “queimado” in situ, liberando mais energia, chegando a ser responsável por 33% do calor gerado em reatores de água leve (LWR) e cerca de 60% em reatores pressurizados de água pesada (PHWR).
Sendo assim, o plutônio é um subproduto intrínseco à operação de um reator nuclear a base de urânio.
Uma outra fonte de plutônio é as armas nucleares desmontadas.
O processo geral do uso do combustível nuclear em um reator é representando na figura 6, a seguir:
Figura 6 – Reação Nuclear em um reator
Fonte: World Nuclear Association
Tendo em vista que o 239Pu sofre decaimento beta, gerando o 235U, o seu uso passa a ser muito interessante, funcionando como uma espécie de substituto ao 235U.
Daí, vem o desenvolvimento do Combustível de Óxido Misto (MOX) que será abordado no próximo item.
3.6. Os Combustíveis de Óxido Misto (MOX)
Como já foi abordado, inicialmente, o processo de enriquecimento de urânio produzia uma grande quantidade de rejeito de urânio empobrecido que não tem utilidade para os fins de obtenção de energia.
Sem ter o que fazer com ele, era então armazenado em local protegido.
Por outro lado, após a utilização do combustível enriquecido, o material retirado dos reatores possui cerca de 93% de urânio 238U que possui as mesmas características do urânio empobrecido, recebendo o mesmo destino.
No entanto, o funcionamento de um reator a urânio produz naturalmente vários isótopos de plutônio como subproduto. A maior parte dele é “queimada” durante a operação do reator, porém, 1% do produto descartado é composto por plutônio, sendo o 239Pu o mais abundante (~50%), seguido do 241Pu (~15%) ambos físseis e com comportamento semelhante ao 235U.
Portanto, misturar o plutônio gerado com urânio empobrecido e/ou urânio de combustível usado é uma solução muito interessante, uma vez que torna algo que “não tinha solução” em uma fonte de matéria-prima, aumentando a eficiência do combustível e reduzindo ainda mais o impacto ambiental.
Assim, podemos definir que o combustível de óxido misto é o combustível nuclear composto por urânio empobrecido e plutônio.
Umas das vantagens do MOX é que a concentração físsil do combustível e, consequentemente, a queima pode ser aumentada facilmente de um pouco mais de plutônio, enquanto o enriquecimento de urânio 235U a níveis mais altos é relativamente mais caro.
O combustível MOX foi utilizado pela primeira vez em um reator térmico em 1963, no entanto, somente se tornou de uso comercial após 1980.
Hoje, sendo amplamente utilizado na Europa e Japão, com certa de 40 reatores na Europa e 10 no Japão estão licenciados para usá-lo.
Normalmente, os reatores utilizam 30% de MOX, sem perda de eficiência, podendo chegar a 50% do combustível.
4. CONCLUSÃO
O uso da energia nuclear para fins de geração de energia elétrica é uma importante fonte alternativa, principalmente para diversificar a matriz energética.
A principal vantagem do processo é a grande quantidade de energia térmica que se consegue extrair de uma pequena quantidade de elemento radioativo.
O urânio é o elemento com maior peso atômico encontrado na natureza e por conta disso, passou a ser a principal fonte para os combustíveis nucleares.
O isótopo de urânio mais apropriado para sofrer a fissão é 235U, no entanto, corresponde apenas a 0,72% do urânio encontrado.
Assim, o processo que aumenta a quantidade desse isótopo é chamado de enriquecimento de urânio.
Esse processo gera, aproximadamente 87% de rejeito, ou seja, tem-se 870 kg de urânio empobrecido para cada 130 kg de urânio enriquecido.
Além desse resíduo gerado no processo, após o uso do material no reator, têm-se ainda uma grande quantidade de 238U que tem característica semelhantes ao urânio empobrecido.
Também no processo de operação do reator, tem-se a geração de plutônio, cujos isótopos 239Pu e 241Pu possuem comportamento semelhante ao urânio 235U.
Esses resíduos que eram um problema, sendo inicialmente estocados em locais protegidos, passam a ser uma grande fonte energética, com o desenvolvimento do combustível de óxido misto de urânio e plutônio, MOX.
Uma outra vantagem do MOX é a possibilidade de se aumentar a eficiência do combustível, aumentando-se apenas a porcentagem de plutônio na amostra. Ao contrário, do que acontece com o urânio enriquecido, que se torna extremamente caro, aumentar a concentração do 235U.
O seu uso vem contribuir para reduzir drasticamente o impacto ambiental da extração do urânio e ajudar a resolver o problema dos rejeitos existentes incialmente.
5. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA
COMISSÃO NACIONAL DE ENERGIA NUCLEAR. A história da energia nuclear: Rio de Janeiro
COMISSÃO NACIONAL DE ENERGIA NUCLEAR. Energia Nuclear: Rio de Janeiro
BORGES, D. O Modelo atômico de Bohr, o que é?, Conhecimento Científico: 2020. Disponível em: <https://conhecimentocientifico.r7.com/modelo-atomico-de-bohr-2/> Acesso em: 17 de maio 2021.
ZAHN, G. S., GENEZINI, F. A., SEMMLER, R. Apostila Fundamentos de Física Nuclear e Aplicações: IPEN-CNEN. São Paulo
LAINETTI, P. E. O., Apostila Materiais e Ciclo do Combustível Nuclear: IPEN-CNEN. São Paulo.
Uranium Hexafluoride (UF6), Depleted UF6: Disponível em: <https://web.evs.anl.gov/uranium/guide/uf6/index.cfm> Acesso em: 27 de março 2022.
What is uranium hexafluoride (UF6)?, Depleted UF6. Disponível em: < https://web.evs.anl.gov/uranium/faq/uf6properties/faq8.cfm> Acesso em: 27 de março 2022.
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Mixed Oxide (MOX) Fuel: World Nuclear Association. Disponível em: <https://world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/fuel-recycling/mixed-oxide-fuel-mox.aspx> Acesso em: 27 de março 2022.
6. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA DAS FIGURAS
Figura 1: BORGES, D. O Modelo atômico de Bohr, o que é?. Conhecimento Científico: 2020. Disponível em: <https://conhecimentocientifico.r7.com/modelo-atomico-de-bohr-2/> Acesso em: 27 de março 2022.
Figura 2: Fissão nuclear. Brasil Escola. Disponível em: <https://brasilescola.uol.com.br/fisica/fissao-nuclear.htm> Acesso em 27 de março de 2022
Figura 3: COMISSÃO NACIONAL DE ENERGIA NUCLEAR. Energia Nuclear: Rio de Janeiro
Figura 4: COMISSÃO NACIONAL DE ENERGIA NUCLEAR. Energia Nuclear: Rio de Janeiro
Figura 5: COMISSÃO NACIONAL DE ENERGIA NUCLEAR. Energia Nuclear: Rio de Janeiro
Figura 6: Reação nuclear em um reator. World Nuclear Association. < https://world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/fuel-recycling/plutonium.aspx#:~:text=Plutonium%20is%20formed%20in%20nuclear,several%20hundred%20kilograms%20of%20plutonium> Acesso em: 27 de março 2022.
