Embed Size (px)
Citation preview
Escola Secundária Avelar BroteroAno letivo 2011/2012
Energia Nuclear: Urânio e Plutónio
O que é a Energia Nuclear?
A energia é a energia libertada, sob a forma de calor e energia eletromagnética, numa
reação nuclear, ou seja, em processos de transformação
de núcleos atómicos. Alguns isótopos de certos
elementos apresentam a capacidade de se transformar
noutros isótopos ou elementos através de reações
nucleares, emitindo energia durante esse processo.
Baseia-se no princípio da equivalência de energia
e massa, segundo a qual durante reações nucleares
ocorre transformação de massa em energia.
Ilustração 1: Central Nuclear
Foi descoberta por Hahn, Straßmann e Meitner com a observação de uma fissão
nuclear depois da irradiação de urânio com neutrões.
A tecnologia nuclear tem como uma das finalidades gerar eletricidade. Aproveitando-
se do calor emitido na reação, para aquecer a água até se tornar vapor, movimentando assim
um turbogerador. A reação nuclear pode acontecer controladamente num reator de usina
nuclear ou descontroladamente numa bomba atómica. Noutras aplicações aproveita-se da
radiação ionizante emitida.
Reator de usina nuclear
O reator de usina nuclear é uma instalação industrial empregada para produzir
eletricidade a partir de energia nuclear. Caracteriza-se pelo uso de materiais radioativos que
através de uma reação nuclear produzem calor. As centrais nucleares apresentam um ou
mais reatores, que são compartimentos impermeáveis à radiação, em cujo interior estão
colocados barras ou outras configurações geométricas de minerais com algum elemento
radioativo (em geral o urânio).
Escola Secundária Avelar BroteroAno letivo 2011/2012
Bomba atómica
As bombas atómicas ou bombas nucleares são normalmente descritas como sendo
apenas de fissão ou de fusão com base na forma predominante de liberação da sua energia.
Esta classificação, porém, esconde o fato de que, na realidade, ambas são uma combinação
de bombas: no interior das bombas de hidrogénio, uma bomba de fissão em tamanho menor
é usada para fornecer as condições de temperatura e pressão elevadas que a fusão requer
para se iniciar. Por outro lado, uma bomba de fissão é mais eficiente quando um dispositivo
de fusão impulsiona a energia da bomba. Assim, os dois tipos de bomba são genericamente
chamados bombas nucleares.
O que é uma Reação Nuclear?
A reação nuclear é a modificação da composição do núcleo atómico de um elemento,
podendo transformar-se num ou em vários elementos. Esse processo ocorre
espontaneamente em alguns elementos. O caso mais interessante é a possibilidade de
provocar a reação mediante técnicas de bombardeamento de neutrões ou outras partículas.
Existem duas formas de reações nucleares: a fissão nuclear, onde o núcleo atómico se
subdivide em duas ou mais partículas; e a fusão nuclear, na qual, pelo menos dois núcleos
atómicos, se unem para formar um novo núcleo.
Fissão Nuclear
Na Fissão Nuclear, a energia é libertada pela divisão do núcleo normalmente
em dois pedaços menores e de massas. Pela lei de conservação de energia, a soma
das energias dos novos núcleos mais a energia libertada para o ambiente em forma de
energia cinética dos produtos de fissão e dos neutrões libertados deve ser igual à
energia total do núcleo original.
A fissão do núcleo raramente ocorre de forma espontânea na natureza, mas
pode ser induzida se bombardearmos núcleos pesados com um neutrão, que, ao ser
absorvido, torna o núcleo instável.
Escola Secundária Avelar BroteroAno letivo 2011/2012
O U235, por exemplo, ao ser bombardeado com um neutrão, fissiona em dois
pedaços menores, emitindo normalmente dois ou três neutrões (Ilustração 2). Se
houver outros núcleos de U235 próximos, eles
têm uma certa chance de serem atingidos
pelos neutrões produzidos na fissão. Se
houver um grande número disponível de
núcleos de urânio-235, a probabilidade de
ocorrerem novas fissões será alta, gerando
novos neutrões, que irão gerar novas fissões.
Ilustração 2: Reação de Fissão Nuclear
Esse processo sucessivo é chamado Reação em Cadeia (Ilustração 3).
Controlando-se o número de neutrões produzidos e a quantidade de U235, pode-se
controlar a taxa de fissão ao longo do
tempo. Essa reação em cadeia,
denominada controlada, é o processo
utilizado num reator nuclear. Já numa
bomba atómica, as fissões ocorrem
todas num intervalo de tempo muito
curto, gerando uma enorme quantidade
de energia e provocando a explosão.
Ilustração 3: Reação em Cadeia
O que torna o urânio conveniente para uso como combustível é a grande
quantidade de energia liberada por esse elemento ao se fissionar.
Escola Secundária Avelar BroteroAno letivo 2011/2012
Fusão Nuclear
A Fusão Nuclear é o processo no qual
dois ou mais núcleos atómicos se juntam e
formam um outro núcleo de maior número
atómico. A Fusão Nuclear requer muita energia
para acontecer, e geralmente liberta muito mais
energia do que aquela 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.
Um pouco mais acerca do Urânio...
Para além de ser utilizado na produção de bombas atómicas, o Urânio é o principal
elemento envolvido no processo da Energia Nuclear, como combustível em Centrais
Nucleares para a produção de energia eléctrica.
O Urânio é o último elemento químico natural da tabela periódica, sendo o átomo
com o núcleo mais pesado que existe naturalmente na Terra. Quando puro, é um sólido,
metálico e radioactivo, muito duro e denso, com cor cinza.
Tudo começou em 1789, quando se comprovou a existência de uma "substância
semi-metálica" no minério uraninita, ao qual se deu o nome de Urânio em honra da
descoberta do planeta Urano. Mais tarde, conseguiu-se isolar o Urânio metálico, e em 1896
descobriu-se a propriedade da radioactividade no Urânio (foi o primeiro elemento químico
onde se descobriu esta propriedade).
Em 1934, ao bombardear Urânio com neutrões, emitindo assim partículas alfa,
concluiu-se que este bombardeamento dava origem a isótopos de elementos mais leves,
como o kripton ou o bário, por fissão do seu núcleo, libertando uma grande quantidade de
energia.
Comprovou-se, em 1939, que a fissão produzia novos neutrões que poderiam
originar novas fissões noutros núcleos e tornar, assim, a reacção auto-sustentada.
Escola Secundária Avelar BroteroAno letivo 2011/2012
Em 1942, para a primeira reacção nuclear de fissão auto-sustentada, foram utilizadas
400 toneladas de grafite, seis toneladas de urânio e 58 toneladas de óxido de Urânio. O
primeiro teste de uma arma nuclear baseada na fissão do Urânio foi realizado em 1945 no
Novo México.
Podem-se encontrar vestígios de Urânio em quase todas as rochas sedimentares da
crosta terrestre. Os minerais que contêm Urânio são a euxenita, a carnotita, a branerita, a
torbernite e a coffinita, sendo o mais comum minério de Urânio a uraninita (composta por
UO2 com U3O8).
Os principais depósitos destes minérios situam-se nos EUA, Canadá, Rússia e
França, mas o maior depósito do mundo de uraninita situa-se nas minas de Leopoldville no
Congo, África.
Antes da descoberta da Energia Nuclear, o Urânio era muito pouco utilizado. Era
utilizado em fotografia, nas indústrias de cabedal e madeira, e os seus compostos eram
utilizados como corantes e fixadores de cor em sedas e lã.
Actualmente, a aplicação mais importante do Urânio é a energética, na produção de
Energia Nuclear em centrais nucleares, e assim de energia eléctrica. Utilizam-se três
isótopos do elemento – U234, U235 (o mais utilizado) e U238 – com mecanismos de reacção
ligeiramente diferentes.
Devido às suas características – alta dureza, alta densidade (17,3 g/cm3) e alto ponto
de fusão (1132 ºC) – o Urânio é também utilizado no fabrico de projécteis de armas de fogo,
onde normalmente se utiliza o chumbo.
O Urânio pode prejudicar a saúde do ser humano, tendo em conta que atinge o
sistema linfático, sangue, ossos, rins e fígado, causando envenenamento de baixa intensidade
(inalação, ou absorção pela pele), náuseas, dores de cabeça, vómitos, diarreia e queimaduras.
Este mineral, por não ser reconhecido pelo ser vivo, não é eliminado do organismo, sendo
progressivamente depositado sobretudo nos ossos; a radiação assim exposta pode provocar o
desenvolvimento de cancro – os trabalhadores de minas são frequentemente casos de cancro
pulmonar.
Escola Secundária Avelar BroteroAno letivo 2011/2012
O termo “combustível nuclear” é normalmente empregue para designar o material
que pode sofrer fissão nuclear.
O dióxido de Urânio (UO2) é
matéria-prima no fabrico do combustível
nuclear nos reatores nucleares, dado que
é muito pobre em Urânio físsil, ou seja,
que pode sofrer fissão nuclear. Deste
modo, é necessário um novo tratamento
para separar o isótopo físsil do isótopo
não físsil.
Este tratamento é o enriquecimento do Urânio; consiste em transformar o dióxido de
Urânio no gás hexafluoreto de urânio (UF6) e fazer este gás difundir-se por placas porosas e,
assim, separá-los. O gás hexafluoreto de Urânio enriquecido volta a ser convertido em
dióxido de Urânio, e é este o óxido que constituirá finalmente o combustível nuclear.
Um pouco mais acerca do Plutónio...
O Plutónio é um elemento químico pesado, que não se encontra na natureza e
subproduto do uso do Urânio pelas Usinas
Nucleares. Os principais isótopos do Plutónio
são: Pu-238 (meia-vida de 88 anos), Pu-239
físsil (meia-vida de 24 mil anos), Pu-240 fértil
(meia-vida de 6.500 anos), Pu-241 fissil
(meia-vida de 14 anos) e o Pu-242 (meia-vida
de 37.600 anos).
NOTA: Meia-vida é o tempo que o
elemento químico radioativo leva para ter a
sua atividade reduzida pela metade.
Escola Secundária Avelar BroteroAno letivo 2011/2012
Trata-se de uma das substâncias mais radiotóxicas e perigosas de que se tem notícia:
a inalação ou ingestão de um milésimo (0,0001) de Plutónio é fatal. E uma esfera menor do
que uma bola de ténis puderia ser usada como combustível de uma bomba nuclear capaz de
matar milhões de pessoas.
Reprocessamento de Plutónio
Quando produzem eletricidade, as usinas nucleares geram Plutónio. O
Plutónio fica contido no combustível nuclear irradiado (INF, de irradiated nuclear
fuel) que resultam da operação de um reator nuclear.
Em alguns países, o INF é quimicamente dissolvido em “usinas de
reprocessamento”, nas quais o Plutónio e o Urânio são separados de outro lixo
atómico contido no combustível.
Ainda que o Plutónio seja usado basicamente na construção de armas, houve
várias tentativas de empregá-lo como combustível em reatores nucleares.
Além do Plutónio e do Urânio, o reprocessamento gera um imenso volume de
lixo atómico.
Parte deste lixo é descarregado diretamente no ar, no solo e no mar, com
riscos diretos de curtos e longos prazos para o ambiente e a saúde pública.
Ao mesmo tempo, substâncias químicas, equipamentos e outros materiais
envolvidos no reprocessamento ficam contaminados pela radioatividade libertada
pelo combustível reprocessado.
No final de todo este processo, o reprocessamento gera um volume de lixo
atómico até 189 vezes maior do que o contido no combustível original. Os despejos
radioativos da usina de reprocessamento de Sellafield, na Inglaterra, transformaram o
Mar da Irlanda na área mais contaminada por radiação em todo o mundo.
Escola Secundária Avelar BroteroAno letivo 2011/2012
O fracasso do Plutónio como fonte de energia
Durante as décadas de 60 e 70, uma das grandes preocupações das indústrias
nucleares de diversos países era o preço e a quantidade de Urânio disponível para ser
usado como combustível nuclear.
Dessa preocupação nasceu o projeto de reprocessar o Plutónio - produzido
pelos reatores nucleares - para empregá-lo como combustível de uma nova geração
de reatores, chamados “de geração rápida” (FBR, de fast breed reactors).
Acreditava-se que esses reatores, além de produzir energia, também gerariam
mais Plutónio do que o usado originalmente como combustível. Essa nova tecnologia
foi um fracasso. Apesar dos grandiosos planos dos primeiros de FBR (a França
previa ter seis reatores fast-breeders operando em 1985 e a antiga União Soviética
anunciava 12), nenhum FBR funcionou bem no Ocidente. Apenas a Rússia e o Japão
prosseguiram com programas de desenvolvimento desse tipo de reatores. Em 8 de
dezembro de 1995, o reator fast-breeder Monju, localizado na costa oeste do Japão,
sofreu um dos acidentes mais sérios da indústria do desenvolvimento dos FBRs.
Vazaram do circuito secundário entre uma e três toneladas de sódio líquido,
material altamente corrosivo usado para resfriar o reator. Embora não tenha ocorrido
libertação de radioatividade para o meio ambiente, funcionários do governo japonês
admitem ter havido risco de explosão. O choque provocado pelo acidente na
população, na indústria nuclear e no governo no Japão foi profundo. Hoje, como
nunca, o programa japonês de reatores a Plutónio está sob questionamento popular.
No entanto, nos últimos 40 anos, o grande envolvimento político e financeiro
japonês com a tecnologia do Plutónio deixa sérias duvidas quanto a uma reversão
dessa política no decorrer do acidente de Moju.
Na Alemanha, a única coisa que o FBR Kalkar gerou foi controvérsia. Depois
de 16 anos de construção e 7 biliões de marcos de investimento, o reator foi fechado
definitivamente em 1991, sem nunca ter funcionado.
Escola Secundária Avelar BroteroAno letivo 2011/2012
Funcionamento de Centrais Nucleares
O grande objetivo das centrais nucleares é controlar as reações nucleares em cadeia
de modo a que a energia seja libertada de forma gradual sob a forma de calor. Tal como
nas centrais que usam combustíveis fosseis, o calor é usado para ferver água de modo a
produzir vapor, que por sua vez irá fazer funcionar uma turbina, conseguindo assim gerar
energia eléctrica.
o Funcionamento de um reactor Nuclear
Combustível
Num reator nuclear são combinados o combustível e o emprego de um material
moderador. Por norma, o Urânio serve de combustível com o conteúdo de 3% de Urânio
– 235, quase sempre sobre a forma de dióxido de urânio, que posteriormente é prensado
em forma de grandes pastilhas que posteriormente são introduzidos em grandes tubos,
com vários metros de comprimento, fabricados com ligas especiais.
Tubos
Os tubos têm como função evitar que os produtos que resultam da combustão do
urânio, parte gasosos e altamente radioactivos, contaminem o interior do reactor. Estes
resíduos não podem chegar ao liquido refrigerante do reactor, pois caso estes alcancem o
líquido refrigerador e haja um fuga destes mesmos líquidos irá haver um grave
contaminação do ambiente.
Material Moderador
O material moderador durante a reacção com o urânio – 235 liberta elevadas
quantidades de neutrões, este enorme fluxo chega ao moderador que rodeia os módulos
de combustível ou até que está misturado em parte com este, reduzindo-o, e controlando
a reacção.
Os moderadores líquidos têm uma função de grande importância, devido à sua ação
como meio refrigerante. Este tipo de moderadores não só absorvem a energia térmica
Escola Secundária Avelar BroteroAno letivo 2011/2012
libertada pelo abrandamento dos neutrões, mas também arrefece os módulos de
combustível aquecidos durante a reação.
Barras de controlo
As barras de controlo que são introduzidas no núcleo do reator, compostas de um
material que absorve parte dos neutrões libertados durante a reação em cadeia. Ao retirar
e ao introduzir estas barras de controlo consegue-se regular as flutuações no
desenvolvimento da reação, e existe a possibilidade de se conseguir que os módulos de
combustível sejam utilizados de forma uniforme. A principal, e sem duvida a mais
importante função das barras de controlo é a de fazer cessar as reações nucleares em
cadeia em caso de existência de perigo.
No núcleo do reator nuclear estão presentes o combustível nuclear e as barras de
controlo
Escola Secundária Avelar BroteroAno letivo 2011/2012
Tecnologia dos reactores nucleares
Os reatores nucleares servem, principalmente, para gerar elevadas quantidades de
energia térmica, por isso não são utilizados para a produção de energia elétrica. Visto que
nem toda a energia térmica consegue ser transformada em energia elétrica, as centrais
nucleares mais avançadas, atingem um rendimento de apenas 35%. A restante energia
térmica compõe-se de calor residual que não é aproveitado para gerar vapor propulsor, e
que é condensado nas torres de refrigeração.
Esquema de Funcionamento
Principais tipos de reatores
Existem três tipos de reatores nucleares:
o Reatores de água Normal
Os reatores de água normal, que são os de uso mais frequente, funcionam com
Urânio ligeiramente enriquecido e água normal, aqui funcionando como moderador.
Escola Secundária Avelar BroteroAno letivo 2011/2012
o Reatores de altas temperaturas
Os reatores de altas temperaturas são utilizados principalmente pelo Reino Unido,
que está entre os sistemas mais avançados, este género de reatores oferecem vantagens
em relação aos reatores de água normal, visto que usa um gás como meio refrigerante,
hélio.
o Reatores Reprodutores
Os reatores reprodutores são de interesse de todos os estados com importantes
instalações nucleares, e o seu desenvolvimento, visto que só com este tipo de reatores é
possível aproveitar as limitadas existências de Urânio na Terra.
Controlar os riscos de funcionamento de um reator
Os componentes de um reator nuclear, o combustível, o moderador, o meio
refrigerogénico e as barras de controlo, todos eles se encontram instalados dentro de um
grande contentor sob pressão. Contentores fabricados com aço, cimento pré – esforçado
e rodeados com várias envolturas, nestes contentores as exigências são extremamente
elevadas, a impermeabilidade e a estabilidade das camadas envolventes, a fim de garantir
um baixo risco de acontecer um acidente, e de modo a que não haja fuga de
radioactividade.
Central Nuclear
pressurizada
Escola Secundária Avelar BroteroAno letivo 2011/2012
Resíduos Nucleares
Cada Central Nuclear converte, através de fissão nuclear, barras de Urânio em
resíduos nucleares altamente radioativos, por este motivo têm de ser protegidos e
armazenados de forma segura fora do alcance de pessoas, animais e plantas
durante centenas de milhares de anos.
Há cerca de 50 anos que existem centrais nucleares em atividade, no entanto,
até hoje não se sabe como se deve armazenar os resíduos nucleares e o que fazer
com eles. Não existe em qualquer parte do mundo um método para uma eliminação
segura dos resíduos nucleares.
Enquanto um reator nuclear está em funcionamento, algum do Urânio é
convertido noutros materiais, que se vão depositando nos elementos combustíveis.
O combustível perde a sua eficiência na produção de calor, tornando-se assim
necessária a sua substituição.
O combustível usado é removido do reator, arrefecido em água e sujeito a um
reprocessamento, onde se geram três grupos de materiais:
Urânio, que irá novamente servir de combustível.
Plutónio, utilizado também como combustível e em alguns casos é também
utilizado como material de armamento.
Lixo nuclear.
Tipos de lixo nuclear
o Lixo de alto Nivel
O lixo de alto nível são os resíduos que contêm produtos gerados durante o
processo de fissão, com altos níveis de radioatividade. A radioatividade libertada
por este resíduo degenera-se com relativa rapidez no início, embora continue
perigoso durante milhares de anos devido ao seu conteúdo actinídeo, os materiais
Escola Secundária Avelar BroteroAno letivo 2011/2012
actinídeos possuem uma radioatividade de baixa intensidade, mas possuem uma
vida muito longa.
o Lixo de nível intermédio
O lixo de nível intermédio é produzido em variados processos que
envolvem matérias radioactivas, embora apresentem menos perigo que os resíduos
de alto nível.
o Lixo de baixo nível
Este tipo de lixo de baixo nível é produzido por hospitais, laboratórios,
indústrias e centrais nucleares, devem ser manuseados com alguma precaução.
A descarga destes tipos de resíduos radioativos no ambiente é bastante
perigosa, visto que pode causar danos quer para o Homem, quer para as restantes
espécies e ecossistema.
Impacto Ambiental da Energia Nuclear
Desde que foi descoberta a radioatividade, que os cientistas de todo o mundo se
debruçam cada vez mais em formas de evitar acidentes e prejuízos para a saúde, o que
ocorre com frequência nas fases iniciais de investigações. É de conhecimento e
consciência geral o perigo que podem causar exposições a radiações radioativas, mas de
conhecimento de poucos que esta exposição e natural, que faz parte do nosso quotidiano,
e que possuímos defesas naturais no nosso sistema imunitário, mas que também tem
limites.
Efeitos das radiações
Nos seres vivos os efeitos causados pela exposição a radioactividade manifestam-se
a dois níveis:
Nível somático, cuja expressão máxima é a morte.
Escola Secundária Avelar BroteroAno letivo 2011/2012
Nível genético, que é responsável pelo aumento de mutações, podendo assim
originar aberrações genéticas nas gerações posteriores.
Estes efeitos dependem da natureza da radiação, do seu tempo de vida, da
intensidade e dos órgãos onde esta é acumulada, e tal como varia os efeitos, também
varia a sua capacidade de penetração nos tecidos.
Os neutrões e os raios gama são os que mais facilmente alcançam o interior do
organismo, e são estes que são libertados em explosões nucleares ou em acidente nos
reatores.
Existem partículas que só se tornam prejudiciais se entrarem diretamente no
organismo, normalmente por via da alimentação ou pelo ar que respiramos. Quando uma
radiação incide num tecido biológico, altera as características químicas das moléculas
destes, que ou matam a célula ou originam divisões nesta não controláveis. No primeiro
caso o organismo elimina e substitui as células mortas, mas no segundo caso na maioria
dos casos acaba por se gerar tumores malignos. Devido a estas reacções é que e tão
perigoso e temido os acidentes nucleares.
O pó radioativo que por vezes e extremamente fino pode com facilidade introduzir-
se no organismo e aí ficar acumulado.
Energia Nuclear em Portugal
Em Portugal, atualmente, não se produz energia
nuclear, nem possuímos projetos governamentais para
que Portugal inicie a sua produção a curto prazo. Com
a elevada procura pelo minério, Urânio, Portugal está a
ser foco de alguns estudos por parte de empresas
internacionais, visto que, atualmente, a produção
nacional de Urânio nas Minas da Urgeiriça destina-se,
na sua totalidade, à exportação, dado que o país não
possui centrais nucleares.
Escola Secundária Avelar BroteroAno letivo 2011/2012
