Como funciona uma usina nuclear? Conheça os processos e riscos

Como funciona uma usina nuclear? Conheça os processos e riscos

Por Danielle Cassita | Editado por Rafael Rigues | 29 de Abril de 2022 às 17h00
jplenio/Pixabay

Caso você já tenha se perguntado como funciona uma usina nuclear, saiba que o “segredo” por trás da operação dela está na fissão nuclear, um processo que divide átomos e libera energia através de uma reação em cadeia. Além da energia produzida pelas usinas nucleares ser considerada uma das fontes mais seguras da atualidade, elas têm a vantagem de produzi-la sem emitir gases poluentes, por não queimarem combustíveis fósseis.

As primeiras tecnologias nucleares foram desenvolvidas em 1940, época em que foram focadas, inicialmente, na produção de bombas atômicas. Já na década seguinte a atenção foi voltada para o uso pacífico da fissão nuclear para produzir energia para as nações. Hoje, a energia nuclear civil já soma décadas de experiência, com usinas operando em 32 países.

Torres de resfriamento de uma usina nuclear (Imagem: Reprodução/Rodrigo Gómez Sanz/Flickr)

De acordo com a Associação Nuclear Mundial, cerca de 10% da energia mundial vem dos 440 reatores nucleares espalhados pelo mundo, sendo que outros 55 estão em construção. Além de não depender de grandes áreas de instalação ou fatores climáticos, estas usinas operam continuamente: se não houver eventos extremos capazes de interromper o funcionamento, os reatores nucleares podem operar sem interrupção por meses e até anos.

Saiba mais sobre o funcionamento das usinas nucleares:

Como funciona uma usina nuclear?

De forma resumida, as usinas nucleares geram eletricidade com o calor liberado pela fissão nuclear, processo em que o núcleo do átomo é dividido e libera energia. É o que explica Marcilei Guazzelli, docente do departamento de física da FEI. “Por exemplo, um átomo de urânio pode fissionar em dois fragmentos, o césio e rubídio, liberando dois nêutrons e 200 MeV (elétron-volt) de energia”, explicou a docente, em entrevista ao Canaltech.

Os nêutrons liberados podem encontrar outros átomos de urânio, iniciando uma reação em cadeia que exige controle. “Nesse sentido, reações controladas são as que ocorrem em um reator nuclear para gerar energia elétrica, enquanto as reações descontroladas causam, por exemplo, a detonação de uma bomba atômica”, disse. A fissão ocorre no interior dos reatores nucleares, componentes das usinas que suportam as reações com os combustíveis nucleares em seu interior.

Na fissão, átomos são partidos e formam outros menores, liberando energia (Imagem: Stefan-Xp/Wikimedia Commons)

O calor liberado pela fissão aquece a água no reator, que será conduzida por tubos até chegar a um vaporizador para, em seguida, voltar ao reator. Já no vaporizador, mais água será fervida pelo calor dos tubos, onde a água aquecida passou. O vapor gerado irá mover turbinas, que vão alimentar geradores de elétricos.

A próxima etapa é condensar este vapor do circuito secundário em água. Para isso, há as chamadas “torres de resfriamento”, as imensas e icônicas "chaminés" soltando uma fumaça branca, que nada mais é que vapor d'agua. Vale lembrar que há usinas que realizam a refrigeração com a água de lagos, rios ou até do oceano.

Existem diferentes tipos de reatores, como os de água fervente, de água pesada, entre outros. A usina nuclear de Chernobyl, palco do maior acidente nuclear da história, tinha um reator que utilizava hastes de grafite para controlar a fissão nuclear. Contudo, após uma explosão causada pelo acúmulo de vapor, o grafite foi incendiado e liberou radiação. “No caso do reator do tipo PWR [sigla para “Pressurized-Water Reactor”], este tipo de acidente não aconteceria, pois a utilização da água em alta pressão evita que ela entre em ebulição”, ressaltou Guazzelli.

Qual é o combustível utilizado nas usinas nucleares?

Segundo Guazzelli, os elementos usados como combustíveis nucleares devem ter estrutura atômica instável e serem pesados, ou seja, com muitos prótons (partículas de carga elétrica positiva) no núcleo. Hoje, o urânio é o principal combustível usado nas usinas nucleares de diferentes países, como França, Japão, Brasil e outros. Trata-se de um elemento bastante abundante, tanto que o Brasil é lar de uma das maiores reservas de urânio no mundo.

As reações de fissão não usam o urânio natural, mas sim o isótopo urânio-235 (Imagem: Domínio Público)

Outra vantagem é que, como tem muitos prótons, o núcleo do isótopo urânio-235 tem dificuldade para manter as ligações que os unem. “Por isso, a colisão com um único nêutron é suficiente para desestabilizar toda a estrutura atômica e quebrá-la”, disse ela, ao Canaltech. Entretanto, o urânio natural não é capaz de produzir reações em cadeia, e precisa ser enriquecido para, assim, separar e aumentar a concentração de seus isótopos físseis.

O enriquecimento é o fim de um processo que começa com a mineração e trituração das rochas com urânio, que depois passam por um processo que separa o elemento dos demais. Depois de convertido para o estado gasoso, o urânio é enriquecido para aumentar sua concentração; em seguida, é transformado em pastilhas que são inseridas em ligas de aço organizadas em feixes; juntos, estes feixes formam o combustível nuclear.

Hoje, o Brasil já domina o enriquecimento por ultracentrifugação. “Você coloca esse gás em um cilindro que gira a altíssimas velocidades, e assim como se usa nos hospitais para separar o plasma do sangue, o elemento mais pesado vai para a periferia do cilindro, e o menos pesado, o urânio-235, fica no centro”, conta o Dr. Claudio de Almeida, ex-presidente da Associação Brasileira de Energia Nuclear, ao Canaltech. O processo é complexo, e precisa ser repetido várias vezes.

As usinas nucleares do Brasil

No Brasil, as usinas nucleares ficam na Central Nuclear Almirante Álvaro Alberto (CNAAA), complexo instalado em Angra dos Reis, no Rio de Janeiro. As usinas Angra 1 e 2 operam a plena capacidade, enquanto Angra 3 está em construção e, quando puder funcionar comercialmente, deverá ser uma “irmã gêmea” de Angra 2. Juntas, as duas usinas do complexo produzem cerca de 3% da energia consumida no Brasil.

Usinas da Central Nuclear Almirante Álvaro Alberto; a primeira delas entrou em operação em 1985 (Imagem: Reprodução/Rodrigo Soldon/Flickr)

A escolha de Angra dos Reis para abrigar o CNAAA se deve a diferentes fatores, e um deles é a localização estratégica para a distribuição de energia. “Se você olhar o mapa, Angra está a praticamente à mesma distância de São Paulo e Rio de Janeiro, e um pouco mais longe de Belo Horizonte; que são os principais consumidores brasileiros”, destacou ele. “Mas é claro que, quando se fez a escolha, uma das principais razões de se construir na baía de Angra é a refrigeração com a água do mar, sem precisar das torres de refrigeração”.

Tanto Angra 1 quanto 2 usam os reatores PWR. “Neste tipo de reator, o processo de fissão é controlado com água pressurizada, o tipo mais utilizado no mundo”, ressaltou Marcilei. Relembrando o processo de fissão nuclear: quando o nêutron encontra um átomo de combustível, como o urânio, o átomo é fissionado e nêutrons são liberados, iniciando uma reação em cadeia.

Ela explica que, no caso do reator PWR, nêutrons rápidos são usados, sendo freados e gerando mais reações. “Ou seja, esta água pressurizada é usada para reduzir a velocidade dos nêutrons”, disse. Como ocorre com outros reatores, os PWR também precisam ser resfriados; isso é feito com água comum. “No caso de Angra, ele é refrigerado pela água do mar, mas em outras usinas são usadas as torres de refrigeração”, observou o Dr. Almeida, ao Canaltech.

Nos reatores PWR usados em Angra, a água é mantida sob alta pressão no sistema primário e forma vapor em um circuito secundário, movimentando as turbinas (Imagem: Reprodução/SauloUlisses)

A água aquecida pelas reações atravessa o reator a mais de 300 ºC, e para não ferver, é mantida sob alta pressão. Com a troca de calor, o vapor é gerado e movimenta turbinas a alta velocidade, chegando a cerca de 1.800 rotações por minuto. Depois, a turbina aciona um gerador elétrico, e o vapor é resfriado em um condensador. No fim do processo, a água é liberada de volta para o mar.

A segurança das usinas nucleares

Entre as principais preocupações em relação às usinas nucleares estão os resíduos radioativos e o destinamento destes compostos, que podem contaminar o ambiente e oferecer riscos à saúde por milhares de anos. “Quando você parte o urânio em dois pedaços, eles são altamente radioativos e continuam decaindo, produzindo calor mesmo quando a central desliga.”, descreveu o Dr. Cláudio. “Assim, é essencial que a central, uma vez desligada, continue sendo refrigerada para evitar que você funda o material. Esse é o risco que você tem de ter um acidente nuclear.”

Para evitar que algo do tipo aconteça, as usinas são projetadas com uma série de processos de segurança e barreiras. “A primeira é a própria pastilha: quando o urânio se parte, os pedaços ficam ali e é difícil que esse material saia para o meio ambiente”, disse ele. A segunda é a vareta de zircônio, que contém as pastilhas; já a terceira é a estrutura do reator, seus circuitos, e bombas. “Se o sistema primário falhar, tem o prédio de contenção”, apontou.

No caso das usinas de Angra, os prédios são construções com paredes espessas de concreto envolvidas por aço, que devem conter o material radioativo no caso de um acidente nuclear. Se houver falhas na refrigeração dos reatores, por exemplo, sistemas de emergência são ativados para mantê-los refrigerados com água. “Esses sistemas são movidos a geradores de emergência a diesel, então se tem 2 reatores, ficamos com 4 geradores”, disse.

A quantidade extra de geradores faz parte da chamada redundância. “Se um estiver em manutenção e outro falhar, tenho que ter 200% dos 50% que eu preciso”, reforçou ele. Além disso, há constante monitoramento das usinas de Angra dos Reis e seus arredores, incluindo estradas e cidades próximas. Caso haja alguma falha e radiação seja detectada, é o momento de colocar um plano de emergência em ação, medida de segurança intrínseca de instalações industriais, comerciais e residenciais.

Este plano tem medidas variadas, que vão desde a orientação da população em áreas próximas da usina até o acionamento de sirenes e transporte para a evacuação de moradores, caso haja necessidade. “Você tem barreiras para evitar o risco, e tem que garantir que cada uma funciona”, alertou. Para ele, é bastante difícil que ocorra um novo acidente nuclear do porte daquele em Chernobyl, ocorrido há mais de 30 anos. “Se você fizer o cálculo da probabilidade de um acidente nuclear, verá que ela é muito baixa comparada com qualquer outro tipo de geração de energia”, finalizou.

Fonte: NEI (1, 2), EIA, World Nuclear, Eletronuclear

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