Reator nuclear

Reator nuclear

Um reator nuclear é uma instalação capaz de iniciar, controlar e manter reações nucleares (geralmente fissão nuclear) em cadeia que ocorrem no núcleo desta instalação.

A composição do reator nuclear é formada pelo combustível nuclear, o refrigerante, os elementos de controle, os materiais estruturais e, no caso de um reator nuclear, o moderador nuclear.

Para construir um reator nuclear é necessário ter combustível nuclear suficiente, que chamamos de massa crítica. Ter massa crítica suficiente significa ter material físsil suficiente em condições ótimas para manter uma reação em cadeia de fissão nuclear.

O arranjo de absorventes de nêutrons e hastes de controle permite controlar a reação em cadeia e o desligamento e partida do reator nuclear.

No núcleo do reator, a reação em cadeia nuclear é produzida e mantida com o objetivo de aquecer a água que será usada para movimentar as turbinas da usina.

O primeiro reator nuclear da história da energia nuclear foi projetado e lançado pelo Prêmio Nobel de Física Enrico Fermi sob as arquibancadas do campo de rugby da Universidade de Chicago, em 2 de dezembro de 1942. Era apenas meio watt de potência, mas serviu para demonstrar que um reator nuclear era tecnicamente possível. Foi usado como uma instalação piloto para reatores projetados para fazer um plutônio para a bomba atômica do Projeto Manhattan da Segunda Guerra Mundial.

Classificação de reatores nucleares

Os reatores nucleares podem ser classificados como:

  • Reatores nucleares térmicos.
  • Reatores nucleares rápidos.

Os reatores nucleares nucleares são aqueles que trabalham diminuindo (moderando) os nêutrons mais rápidos ou aumentando a proporção de átomos físseis. Para desacelerar esses nêutrons, chamados de nêutrons lentos, você precisa de um moderador nuclear que possa ser água leve, água pesada ou grafite.

Os reatores nucleares rápidos são aqueles que não precisam moderar a velocidade dos elétrons e usar nêutrons rápidos. Um reator nuclear rápido não precisa de um moderador de nêutrons, mas deve usar um combustível nuclear que seja relativamente rico em material físsil.

Componentes do reator nuclear

Um reator nuclear é formado pelos seguintes componentes:

Combustível nuclear

Combustível nuclear.  Comprimidos de urâniocombustível nuclear é um material capaz de fissionar o suficiente para alcançar a massa crítica, ou seja, para manter uma reação nuclear em cadeia. Ele é colocado de modo que a energia térmica produzida por essa reação nuclear encadeada possa ser rapidamente extraída.

Usinas nucleares usam combustível nuclear sólido. Os combustíveis nucleares variam dependendo do tipo de reator, mas os derivados de urânio são usados.

Em geral, um elemento combustível é constituído por um arranjo quadrangular das barras de combustível. Embora o reator de água pressurizado russo VVER seja composto por um arranjo hexagonal.

Os tubos de guia são fixados para as grelhas de apoio de combustível, desta forma, é possível manter os centros das barras de combustível e os tubos de guia à mesma distância.

O projeto mecânico dos diferentes elementos combustíveis é idêntico. Alguns contêm feixes de barras de controle e outros contêm venenos consumíveis ou fontes de nêutrons.

Varetas de combustível nuclear

Varetas de combustível nuclear

Eles são o lugar físico onde o combustível nuclear é confinado. Algumas barras de combustível contêm urânio misturado em alumínio na forma de folhas planas separadas por uma certa distância que permite a circulação de fluido para dissipar o calor gerado.

As placas são colocadas em uma espécie de caixa que serve de suporte.

Núcleo do reator

É constituído pelas barras de combustível. O núcleo do reator tem uma forma geométrica característica. O núcleo é resfriado por um fluido, geralmente água.

Em alguns reatores nucleares, o núcleo está localizado dentro de uma piscina com água, a uma profundidade de 10 a 12 metros, ou dentro de um vaso de pressão feito de aço.

Varas de controle

Os feixes de hastes de controle fornecem um meio rápido para controlar a reação em cadeia da fissão nuclear. Eles permitem mudanças rápidas na potência do reator e sua eventual parada em caso de emergência. As hastes de controle são feitas de materiais absorventes de nêutrons (carboneto de boro ou ligas de prata, índio e cádmio, entre outros) e geralmente têm as mesmas dimensões dos elementos combustíveis. A reatividade do núcleo aumenta ou diminui elevando ou baixando as hastes de controle, ou seja, modificando a presença de material absorvente de nêutrons nele contido no núcleo.

Para um reator nuclear funcionar por um período de tempo deve ter um excesso de reatividade, que é o máximo com combustível novo e diminui com a vida dele até que seja cancelado. Neste momento, o combustível nuclear é recarregado.

Reator de energia nuclear

Em operação normal, um reator nuclear tem as hastes de controle total ou parcialmente extraídas do núcleo. O projeto de usinas nucleares é tal que, no caso de uma falha em um sistema de controle de segurança ou reator, ele sempre age no sentido de máxima segurança, introduzindo totalmente todas as hastes de controle no núcleo do reator. Esta ação leva o reator nuclear a uma parada segura em poucos segundos.

Moderador nuclear

Os nêutrons resultantes de uma reação de fissão nuclear têm uma cinética de alta energia (eles adquirem muita velocidade). Quanto maior sua velocidade, menor a probabilidade de você fissão de outros átomos, então você deve reduzir essa velocidade para estimular novas reações em cadeia.

A redução da energia cinética dos nêutrons é obtida por colisões elásticas dos nêutrons com os núcleos do elemento atuando como moderador.

Entre os moderadores mais utilizados estão água leve, água pesada e grafite.

Refrigerante

Para aproveitar a energia térmica liberada pelas reações de fissão nuclear, um refrigerante é usado. A função do refrigerante é absorver a energia térmica e transportá-la. O refrigerante deve ser anticorrosivo, com alta capacidade térmica e não deve absorver nêutrons.

Os refrigerantes mais comuns são gases, como dióxido de carbono e hélio, e líquidos, como água leve e água pesada. Existem alguns compostos orgânicos e metais líquidos, que são usados ​​para essa função.

Refletor

Em uma reação nuclear em cadeia, um certo número de nêutrons tende a escapar da região onde ocorre. Este vazamento de nêutrons pode ser minimizado com a existência de um meio refletor que os redireciona dentro da região de reação. Desta forma, a eficiência do reator nuclear é aumentada. O refletor significa que o núcleo deve ter uma seção transversal baixa para reduzir o número de nêutrons e refletir o máximo possível de nêutrons.

A escolha do material refletor depende do tipo de reator nuclear. Se temos um reator térmico, o refletor pode ser o moderador nuclear, mas se tivermos um reator nuclear rápido, o material refletor deve ter uma grande massa atômica que os nêutrons sejam refletidos no núcleo com sua velocidade original (dispersão in-elástica). ).

Armadura

Quando o reator está em operação, uma grande quantidade de radiação é gerada. A proteção é necessária para isolar os trabalhadores da instalação de radioatividade causada por produtos de fissão.

Portanto, um escudo biológico é colocado ao redor do reator para interceptar essas emissões radioativas.

Os materiais mais usados ​​para construir esta armadura são concreto, água e chumbo.

Usos de reatores nucleares

A tecnologia dos reatores nucleares começou a se desenvolver para fins bélicos, mas a partir dos anos 50 começou a diversificar para fins civis, especialmente para a produção de energia elétrica.

Nos últimos anos, devido aos problemas de sustentabilidade dos combustíveis fósseis em usinas termelétricas e à independência que eles representariam em relação às energias renováveis, como a energia solar; O interesse tem crescido primeiro nos reatores de fissão nuclear e depois nos reatores de fusão nuclear como meio de obter energia elétrica.

A desvantagem é que a pesquisa sobre fusão nuclear é muito cara, pois inclui instalações muito caras que não fornecem resultados imediatos, de modo que os projetos têm um caráter internacional (como o projeto ITER) entre vários países muito ricos e tecnologicamente muito desenvolvidos. . Os recursos econômicos disponíveis não são os mesmos daqueles usados ​​para investigações militares.

As aplicações dos reatores de fissão nuclear são basicamente abrangidas em:

  • Produção de calor (energia térmica), que é usado diretamente ou para produzir vapor a partir da água. O vapor de água gerado é usado para obter trabalho mecânico (turbina), para produzir água doce da água do mar (dessalinização), para produzir hidrogênio por eletrólise de alta temperatura, etc. O trabalho mecânico pode ser  usado diretamente ou para produzir energia elétrica com um alternador (usina nuclear), 
  • Propulsão naval de navios quebra-gelo, submarinos nucleares, porta-aviões militares, etc. Também é investigado para usá-los para propulsão de foguete.
  • Produção de plutônio, que pode ser usado para fins militares, como bombas atômicas ou não, como combustível MOX, feito com óxidos de plutônio e urânio empobrecido e que pode ser usado em alguns reatores PWR. Neste último caso, em princípio, o conceito é o inverso, na década de 90. Eles começam a nuclear criar usinas que usam nuclear como combustível resíduos nucleares radioactivos de outras usinas de energia nuclear, que acabou por ser plutônio (o MOX cerca de 7% ) e urânio "empobrecido" (MOX em torno de 93%) resultante do processo de enriquecimento de urânio.
  • Produção de isótopos radioativos, utilizados na construção civil (amerício de detectores de fumaça), em medicina (Cobalto-60), em pesquisa, etc.
  • Produção de nêutrons livres que são usados ​​na pesquisa e na medicina.
  • Produção de bombas de nêutrons, usadas para fins militares.

A construção de grandes reatores sempre acaba precisando de mais tempo e dinheiro do que o inicialmente esperado.

Os reatores de fusão nuclear ainda estão em fase de pesquisa e desenvolvimento, uma das aplicações futuras mais importantes que se espera deles é a produção de eletricidade.

reator de fusão nuclear

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Referências

Última revisão: 24 de dezembro de 2018