19.7: Energia Nuclear

As reações de fissão nuclear controlada são utilizadas para gerar eletricidade. Qualquer reator nuclear que produza energia através da fissão de urânio ou plutónio por bombardeamento com neutrões tem seis componentes: combustível nuclear constituído por materiais fissionáveis, um moderador nuclear, uma fonte de neutrões, hastes de controlo, líquido de refrigeração do reator, e um sistema de proteção e contenção.

Combustíveis Nucleares

O combustível nuclear é constituído por um isótopo físsil, como o urânio-235, que deve estar presente em quantidade suficiente para proporcionar uma reação em cadeia auto-sustentável. Na maioria dos reatores de água pressurizada, cada conjunto de combustível consiste em hastes de combustível que contêm muitos grânulos de combustível de tamanho compacto, com revestimento cerâmico, enriquecido em urânio (geralmente UO₂). Os reatores nucleares modernos podem conter até 10 milhões de grânulos de combustível.

O urânio-235 é um combustível útil porque produz em média mais de um neutrão por fissão, mas a sua abundância natural é de cerca de 0,7 porcento em peso. A maioria dos reatores de energia exigem que o seu combustível seja enriquecido em pelo menos 3 a 5 porcento de urânio-235 em peso.

Moderadores Nucleares

Os neutrões produzidos por reações nucleares movem-se demasiado depressa para causar a fissão de U-235 de forma fiável. Primeiro, têm de ser abrandados para serem absorvidos pelo combustível e produzirem reações nucleares adicionais. Um moderador nuclear é uma substância que retarda os neutrões para uma velocidade suficientemente baixa para causar fissão. Os reatores iniciais usavam grafite de alta pureza como moderador. Os reatores modernos usam geralmente água pesada ou água leve como moderadores.

Como os neutrões têm um tamanho semelhante ao dos núcleos de hidrogénio, quando atingem os átomos de hidrogénio em moléculas de água, perdem uma quantidade substancial de energia cinética. A água pesada é um moderador melhor, uma vez que o deutério já tem um neutrão e é improvável que absorva outro neutrão como faz por vezes o hidrogénio-1. Moderadores como a água e a grafite também funcionam como um reflector de neutrões para manter os neutrões no centro em uma distribuição uniforme.

Fonte de Neutrões

Embora urânio-238 e urânio-235 sofram fissão espontânea, o processo é imprevisível, e estas fontes intrínsecas geram muito poucos neutrões. Assim, um reator requer um emissor de neutrões para iniciar a reação de fissão em cadeia. Uma fonte de neutrões, como o berílio-9, emparelhada com um emissor alfa, como o amerício-249 ou o plutónio-239, é instalada em um reator para produzir neutrões para o início da reação em cadeia.

Hastes de Controlo

O nível de energia do reator é descrito pelo factor de multiplicação dos neutrões, indicado por k. É a relação entre o número de neutrões produzidos por fissão em uma geração e o número de neutrões produzidos por fissão na geração anterior.

Quando k é inferior a 1, o reator é subcrítico e a saída de energia está a diminuir; quando k é igual a 1, o reator é crítico e a saída de energia está estável; e quando k é maior que 1, o reator é supercrítico e a saída de energia está a aumentar.

Os reatores nucleares utilizam hastes de controlo para controlar a velocidade de fissão do combustível nuclear, ajustando o número de neutrões lentos presentes para manter a velocidade da reação em cadeia a um nível seguro. As hastes de controlo são feitas de boro, cádmio, háfnio, ou outros elementos que são capazes de absorver neutrões.

Quando os conjuntos de hastes de controlo são inseridos no elemento de combustível no núcleo do reator, absorvem uma fração maior dos neutrões lentos, diminuindo assim a velocidade da reação de fissão e diminuindo a energia produzida. Por outro lado, se as hastes de controlo forem removidas, são absorvidos menos neutrões e a velocidade de fissão e a produção de energia aumentam. Em caso de emergência, a reação em cadeia pode ser terminada inserindo completamente todas as hastes de controlo no centro nuclear entre as hastes de combustível.

Líquidos de Refrigeração dos Reatores

Em um reator de água pressurizada, o líquido de refrigeração do reator é usado para transportar o calor produzido pela reação de fissão para uma caldeira e turbina externas, onde é transformado em eletricidade. São frequentemente utilizados dois circuitos de líquido de refrigeração que trocam calor para evitar a transferência de líquido de refrigeração contaminado para a turbina de vapor e para a torre de refrigeração. Normalmente, a água é utilizada como líquido de refrigeração. Outros líquidos de refrigeração em reatores especializados incluem sódio fundido, chumbo, uma mistura de chumbo–bismuto ou sais fundidos. Uma torre de refrigeração grande e hiperbolóide condensa o vapor no circuito de refrigeração secundário e está muitas vezes localizada a alguma distância do reator real.

Sistema de Proteção e Contenção

Os reatores de água pressurizada estão equipados com um sistema de contenção (ou escudo) que normalmente consiste em três partes: (i) uma camada de aço com 3–20 centímetros de espessura; o moderador dentro da camada absorve grande parte da radiação de neutrões produzida pelo reator; (ii) um escudo principal de 1–3 metros de betão de alta densidade que absorve raios γ e raios X; (iii) proteção adicional para absorver radiação incidente dos processos de proteção de (i) e (ii). Além disso, reatores de água pressurizada são frequentemente cobertos por uma cúpula de aço ou betão projetada para conter quaisquer materiais radioativos que possam ser libertados por um acidente com o reator.

Este texto é adaptado de Openstax, Chemistry 2e, Section 21.4: Transmutation and Nuclear Energy.

A fissão nuclear liberta uma grande quantidade de energia térmica, permitindo a produção de eletricidade a partir de uma turbina de vapor. O combustível nuclear é tipicamente um nuclídeo físsil como o urânio-235 que produz mais do que um nêutron por fissão, em média. Os nêutrons rápidos libertados por fissão devem ser desacelerados por moderadores de nêutrons porque os nêutrons térmicos começam as reações em cadeia no combustível físsil com a maior eficácia.

A água é um bom moderador porque os núcleos de hidrogénio e os nêutrons têm tamanhos comparáveis, assegurando que os nêutrons perdem energia cinética substancial na colisão. A água pesada é ainda melhor, uma vez que o deutério já tem um nêutron e é improvável absorver outro. Os moderadores também funcionam como um nêutron refletor a manter nêutrons no núcleo numa distribuição uniforme.

Porque a fissão espontânea de urânio-235 ou 238 é imprevisível, uma fonte de nêutrons é instalado num reator para assegurar uma iniciação controlada da reação em cadeia. O estatuto do a reação em cadeia é descrito pelo fator de multiplicação do nêutron, k:a relação do número de nêutrons produzido por fissão numa geração para o número de nêutrons produzido por fissão na geração anterior. Quando k é inferior a 1, o reator é subcrítico e a produção de energia está a diminuir.

Quando k é 1, o reator é crítico e a produção de energia é constante. Quando k é maior que 1, o reator é supercrítico e a produção de energia está a aumentar. A reação em cadeia é controlada com barras de controle feitas com materiais absorventes de nêutrons como o boro ou o cádmio.

Barras de controle totalmente inseridas absorvem um grande número de nêutrons, mantendo o subcrítico do reator. Retirar as barras de controle permite que mais fissões ocorram. Um refrigerante, como a água, transfere o calor para longe desde o núcleo do reator até fazer vapor para a turbina.

À medida que o reator aquece para cima, os nêutrons movem-se mais depressa e são menos suscetíveis de causar fissão, o que ajuda a evitar o sobreaquecimento. O núcleo é blindado por materiais como água e camadas espessas de betão. O desenho geral do núcleo e estrutura de contenção dependem do tipo específico de reator.

• Nuclear Fuel - Fissionable material used in a nuclear reactor to generate power (e.g., uranium-235).
• Nuclear Moderator - Substance that slows down the neutrons in nuclear reactors (e.g., heavy water).
• Neutron Source - Emitter to initiate fission chain reactions (e.g., beryllium-9).
• Control Rods - Absorb neutrons to control fission rate and maintain safe power levels (e.g., boron).
• Reactor Coolant - Used to carry the heat produced by fission to an external boiler and turbine (e.g., water).
• Shield and containment system - Designed to contain any radioactive materials that might be released by a reactor accident.

• Define Nuclear Fuel - Explain the composition and function of nuclear fuel (e.g., uranium-235).
• Contrast Control Rods vs Reactor Coolants - Distinguish their roles in maintaining safe nuclear reactions and power generation (e.g., boron rod vs. water).
• Explore Nuclear Reactors - Describe the setup and working of nuclear reactors (e.g., sequence of components).
• Explain Uranium-235 Fission - Overview of how uranium undergoes fission in reactors to generate energy.
• Apply in Context - Illustrate how factors like control rods and coolants help maintain safe chain reactions in nuclear reactors.

• [Question 1] What is nuclear fuel and how is it used in nuclear reactors?
• [Question 2] What are control rods and how do they maintain safe fission rates?
• [Question 3] How does a moderator like heavy water contribute to nuclear reactor functionality?

• Students - Understanding key concepts about nuclear reactors can build a foundation for understanding nuclear physics and chemistry.
• Educators - Provides a clear framework to teach about nuclear energy, fission process, and components of a nuclear reactor.
• Researchers - A comprehensive understanding of nuclear reactors supports development and enhancement of nuclear technologies.
• Science Enthusiasts - Offers insights into the fascinating world of nuclear power generation and associated technologies.