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Como funcionam as usinas nucleares (ART574)

As usinas nucleares ou usinas atômicas consistem em fontes de energia elétrica para muitos países, inclusive o nosso. No entanto, com os problemas recentes ocorridos no Japão, onde um tsunami se seguiu a um terremoto, danificando seriamente usinas daquele país, a preocupação com este tipo de usina cresceu no mundo inteiro, inclusive aqui no Brasil onde as temos também. Para entender o que ocorre e dar explicações coerentes, o profissional da eletrotécnica e mesmo da eletrônica precisa saber como funciona este tipo de usina. Explicando de maneira simples e direta, mostraremos como uma Usina Atômica ou Usina Nuclear funciona.

A idéia em que se baseia uma usina nuclear é simples: gerar calor a partir da energia liberada na desintegração de um material radioativo. Para entender como isso ocorre, partiremos inicialmente das explicações sobre o que é a desintegração atômica.

 

A Desintegração atômica ou nuclear

Existem materiais em que os átomos são instáveis, ou seja, depois de certo tempo eles se desintegram, com a divisão de seu núcleo. Os materiais em que isso ocorre com maior intensidade são denominados radioativos.

Quando os átomos se desintegram, além de dar origem a outras substâncias, eles liberam energia e também partículas penetrantes. Estas partículas penetrantes dão origem ao que denominamos radioatividade.

Existem então materiais pouco radioativos, em que a desintegração é lenta, ou seja, poucos átomos entre os bilhões e bilhões que existem num pedaço do material, se desintegram a cada momento.

Assim, num material deste tipo, além de termos uma pequena liberação de energia temos a formação de poucas partículas que determinam sua radioatividade. Trata-se, portanto, de um material pouco radioativo.

Por outro lado, temos materiais muito instáveis em que a cada uma momento, uma enorme quantidade de seus átomos se desintegra, resultando na liberação de uma grande quantidade de energia e também na produção de muitas partículas penetrantes, que resultam numa radioatividade intensa.

 

Meia vida

Fica evidente que, se um material tem baixo nível de radioatividade, ou seja, se seus átomos se desintegram numa taxa muito baixa, vai demorar muito tempo até que todos os átomos desapareçam. Por outro lado, num material de radioatividade intensa, em pouco tempo todos os seus átomos vau se desintegrar. Na verdade, o processo segue uma curva exponencial, de modo que costumamos falar em "meia vida" de um material radioativo. Meia vida é o tempo que certa quantidade de um material radioativo demora para que ser reduzida à metade.

Por exemplo, o Cobalto 60 tem uma meia vida de aproximadamente 10 anos, o que quer dizer que 1 g deste material se reduz a meia grama depois de 10 anos. Por outro lado, o urânio tem uma meia vida de 700 milhões de anos e o plutônio 239 , 200 mil anos.

 

Acelerando a Desintegração

Para obter energia rapidamente e numa quantidade que possa ser usada de forma prática, precisamos utilizar alguns recursos técnicos. O que ocorre é que podemos acelerar a desintegração de um material se aumentarmos sua concentração.

Isso ocorre por que as partículas que são liberadas quando um átomo se desintegra, provocam a desintegração de outros átomos que estiverem em suas proximidades, se elas se chocarem contra seus núcleos.

Assim, se velocidade de desintegração de um material é X quando num pedaço de material de certa massa Y, se dobrarmos essa massa passando para 2 Y, a velocidade de desintegração passará para 4Y.

Se chegarmos a uma massa suficientemente grande desse material a quantidade de energia liberada pode ser enorme, e mais que isso, pode ser explosiva, causando a desintegração instantânea de todos os átomos do material. Isso é a bomba atômica.

Tomam-se duas massas de material que esteja próxima do limite da velocidade explosiva de desintegração colocando-as a certa distância uma da outra. Para obter a explosão, basta juntá-las!

 

Usando Isso Para Produzir Energia Elétrica

A fonte de energia num reator nuclear são barras de urânio enriquecido, ou seja, barras em que a concentração desse material seja aumentada ao ponto de haver uma boa velocidade de desintegração, liberando assim energia em grande quantidade, mas ainda assim, longe de ser explosiva.

Essas barras podem fornecer energia por anos, antes que enfraqueçam, pela redução do material, pois ele vai se desintegrando com o tempo e ficando assim "mais fraco". Elas são imersas num tanque de modo que a liberação da energia possa ser aproveitada no aquecimento de água para girar turbinas.

Como isso é feito em detalhes veremos então a seguir partindo da figura 1 em que temos o desenho de uma usina feito de maneira simplificada para melhor entendimento.

 

 

Partimos então do vaso reator contendo água dentro do qual são mergulhadas barras de urânio enriquecido. Para controlar a velocidade de reação existem barras de controle.

Conforme vimos, se dois pedaços de materiais radioativos estiverem próximos a desintegração acelera e pode se tornar explosiva. Assim, o controle da velocidade com ocorre a desintegração e portanto a energia liberada é feito colocando-se entre as barras de material radioativo barras de chumbo que bloqueiam a radiação na quantidade certa.

Elas funcionam como um "controle de ganho" dosando a radiação que passa de uma para outra barra e que contribui para a aceleração do processo de desintegração, ou seja, permitem controlar a energia liberada.

Essa energia liberada é usada para fazer com que a água ferva e produza valor que vai para os geradores de vapor, sob grande pressão.

O vapor é então conduzido através de canalizações, os condutores de vapor da figura, até uma turbina. A alta pressão desse vapor faz a turbina girar com grande velocidade acionando então o gerador de energia elétrica.

A energia gerada por este alternador passar por um transformador antes de ser levada pelas linhas de transmissão aos centros de consumo.

No entanto, o processo não acaba aqui e temos agora justamente o ponto crítico do funcionamento da usina.

 

Evitando a Contaminação Ambiente

Quando substâncias comuns tomam contato com materiais radioativos, elas se contaminam e tornam-se radioativas também. Assim, a água que está em contato com as barras de urânio no vaso reator se torna radioativa ao entrar em contacto com elas.

O vapor produzido no processo e que movimenta a turbina é radioativo, portanto, não podendo de forma alguma ser liberado na natureza, ele contaminaria tudo (como ocorreu em Chernobyl e no Japão).

Alimentos que absorverem a água resultante desse vapor, pessoas que tiverem contato ou a beberem serão contaminadas, se tornado radioativos. A radioatividade mata, pois destróis as células de nosso corpo...

Por este motivo, depois de passar pela turbina, o vapor é levado a um sistema que faz com ele seja resfriado voltando a ser água e depois de volta ao vaso reator para ser usada novamente.

Temos então um condensador e uma bomba, mostrados na figura que faz isso, mantendo a água radioativa num circuito fechado que não sai da usina. A refrigeração é feita através de água de rio ou do mar que é bombeada até a serpentina. Como o nível de radioatividade desta água não é extremamente alto, a água do rio ou mar não se contamina.

O vapor que ela produz pode então ser expelido para a atmosfera pela torre de refrigeração mostrada na figura. Veja que é pela necessidade desta água que as usinas precisam ser construídas perto de grandes rios ou do mar.

 

O perigo

O processo poderia ser considerado muito seguro e realmente o é, pois todas as precauções são tomadas para se evitar o escape do vapor radioativo, da água do reator e mesmo da radiação das barras se não fossem certos fenômenos que podem ocorrer de forma a destruir a mais sólida estrutura.

São os terremotos, tsunamis, impactos diretos de bombas, etc. Assim, existe certa vulnerabilidade nestas usinas, que podem ser responsáveis pelo escape de material radioativo.

O vapor que teve contacto com as barras de urânio pode escapar. A água de refrigeração pode misturar-se com a água radiativa, o as barras podem ficar a descoberto e liberar calor descontroladamente como ocorreu em Chernobyl, e muito mais.

 

Conclusão

Precisamos de energia elétrica e com o esgotamento de fontes naturais, a energia nuclear se mostra uma alternativa viável, mas a segurança ainda é o ponto fraco.

Montar usinas em regiões pouco povoadas nem sempre é a melhor solução. O melhor é redobrar as medidas de segurança, estudando sempre meios redundantes de evitar vazamentos, e de se ter alternativas rápidas para neutralizá-los.

Felizmente, no caso das usinas de Angra dos Reis, elas estão num país que não sofre problemas de terremotos, mas essa não é a única ameaça. Devemos estar atentos...

 

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