Os Combustíveis Nucleares - Combustível de Óxido Misto de Urânio e Plutônio (MOX).

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.