O combustível nuclear é o material usado para gerar energia nuclear. É um material que pode ser fissionado ou fundido dependendo se seu uso é fissão nuclear ou fusão nuclear.
Referimo-nos a combustível nuclear tanto ao material (urânio, plutónio...) como à montagem feita com o referido material nuclear (barras de combustível, composições de material nuclear e o moderador ou qualquer outra combinação).
O combustível nuclear mais utilizado é o urânio porque é o mais adequado para reatores de fissão nuclear. Atualmente, todos os reatores nucleares em produção para geração de energia elétrica são de fissão. A outro nível, o plutónio é também utilizado como combustível nuclear.
Trítio e deutério são isótopos leves de hidrogênio usados no processo de fusão nuclear. A fusão nuclear, neste momento, não está suficientemente desenvolvida para ser aplicada em centrais nucleares.
Para que é usado o combustível nuclear?
Uma usina nuclear usa combustível nuclear para alimentar o reator.
Os átomos do combustível nuclear são progressivamente separados pelo processo de fissão nuclear. Em cada uma dessas reações, o material se transforma em outros elementos, liberando energia térmica.
Essa energia térmica é utilizada para obter vapor e acionar uma turbina acoplada a um alternador. Dessa forma, a usina nuclear gera eletricidade.
Para que o reator funcione, a massa de combustível nuclear presente no reator atinge a chamada massa crítica . Massa crítica é a quantidade necessária para iniciar uma reação em cadeia que seja autossustentável de forma estável.
Configuração de barras de combustível em um reator nuclear
O combustível nuclear é colocado em varetas dentro do reator. A colocação em barras oferece as seguintes vantagens:
- Facilita o transporte.
- Permite alternar o combustível com o moderador de nêutrons e as hastes de controle.
- Simplifica a extração de combustível no final do ciclo.
O material físsil deve ser colocado em um arranjo geométrico que maximize a eficiência do efeito em cadeia. Este arranjo deve levar em conta a necessidade de deixar espaço suficiente para inserir o moderador de nêutrons.
Durante a fase de projeto de um reator nuclear, também é necessário abrir espaço para hastes de controle e dispositivos de diagnóstico.
Em teoria, a forma ideal seria esférica; Porém, utiliza-se uma forma cilíndrica, obtida pela combinação de um grande número de barras.
Ciclo do combustível nuclear
O ciclo do combustível nuclear é o conjunto de operações necessárias para a fabricação de combustível para usinas nucleares. As operações do ciclo incluem também o tratamento posterior do combustível irradiado.
No caso do urânio, o ciclo fechado inclui:
- Mineração para extrair urânio natural.
- Produção de concentrados de urânio.
- Obtenção de urânio enriquecido (enriquecimento de urânio).
- Fabricação de elementos combustíveis.
- O uso de combustível no reator.
- O reprocessamento de elementos combustíveis irradiados, para recuperação do urânio remanescente e do plutônio produzido.
Estas tarefas podem ser realizadas por uma empresa nacional ou internacional com o devido controlo de qualidade.
Esgotamento e substituição de combustível nuclear
Ao contrário do combustível tradicional (por exemplo, combustíveis fósseis), o consumo de combustível num reator nuclear é muito lento. Uma vez carregado no reator, geralmente dura anos.
Por outro lado, as operações de reabastecimento são consideravelmente mais complexas.
Ao contrário do que acontece com outros tipos de combustível, o produto da reação (a chamada escória) não é disperso. Estes produtos permanecem principalmente dentro das próprias barras ou em elementos imediatamente adjacentes.
Com o tempo, as barras de combustível tornam-se cada vez mais pobres em material físsil. Quando as hastes chegam ao ponto em que não é mais eficiente explorá-las, elas devem ser substituídas.
Dependendo da geometria do reator, pode acontecer que uma parte do combustível se esgote mais rápido que as outras: normalmente a parte central se esgota mais rápido que a parte externa. A configuração da barra é útil neste caso porque permite a substituição apenas das peças mais desgastadas.
As hastes gastas, bem como o material nas imediações, tornaram-se altamente radioativos devido à presença de produtos de fissão gerados pelas reações, bem como outros materiais que podem ser ativados durante o processo de captura de nêutrons ou como resultado de outros similares processos.
A eliminação de varetas gastas é, portanto, a parte mais complexa do desmantelamento da escória de reactores nucleares.
Segurança e controle do combustível nuclear
O manuseio de combustível nuclear requer protocolos de segurança rígidos devido à natureza radioativa dos materiais envolvidos. Durante o transporte, armazenamento e manuseio de combustível, diversas medidas são implementadas para proteger os trabalhadores e o meio ambiente da radiação.
Os reatores nucleares são projetados com sistemas de segurança redundantes para evitar acidentes. Isto inclui a construção de contentores de contenção robustos, sistemas de refrigeração eficientes e mecanismos de encerramento de emergência que interrompam a reacção nuclear em caso de anomalias.
Além disso, as centrais nucleares seguem rigorosos controlos de qualidade e procedimentos operacionais que são regularmente auditados por organismos reguladores internacionais. A gestão dos rejeitos radioativos também é essencial, com o objetivo de armazená-los com segurança e evitar o lançamento de materiais perigosos no meio ambiente.
Comparação com outros combustíveis
O combustível nuclear é comparado a outras fontes de energia principalmente em termos de eficiência e impacto ambiental.
- Eficiência : A energia nuclear tem alta densidade energética. Uma pequena quantidade de material nuclear pode gerar uma grande quantidade de energia, tornando-o uma fonte muito eficiente em comparação com os combustíveis fósseis, como o carvão ou o gás natural. Isto porque a fissão nuclear liberta milhões de vezes mais energia por unidade de massa do que a combustão de combustíveis fósseis.
- Emissões : Ao contrário dos combustíveis fósseis, a energia nuclear não emite gases com efeito de estufa durante a sua geração de electricidade, o que a torna uma opção atractiva para a redução das emissões de carbono. No entanto, a gestão dos resíduos radioactivos constitui um grande desafio. Os resíduos nucleares são altamente radioativos e devem ser cuidadosamente geridos durante milhares de anos, o que representa um custo e uma preocupação a longo prazo.
- Impacto ambiental : Em termos de impacto ambiental, a energia nuclear tem a vantagem de gerar eletricidade de forma muito limpa em comparação com as centrais a carvão ou a gás, que emitem grandes quantidades de dióxido de carbono e outros poluentes. No entanto, a mineração de urânio e a gestão de resíduos nucleares têm certos impactos, embora sejam consideravelmente menores em comparação com os combustíveis fósseis.
- Custos : A construção de usinas nucleares exige grandes investimentos iniciais, e o custo de operação e manutenção também pode ser elevado, principalmente devido a rígidos padrões de segurança e gestão de resíduos. Contudo, uma vez operacional uma central nuclear, o custo de produção de electricidade é relativamente baixo.
- Sustentabilidade : A energia nuclear é uma fonte de energia com baixo teor de carbono e pode, teoricamente, ser sustentável se os recursos forem geridos adequadamente, embora a disponibilidade de urânio e outros materiais físseis possa limitar a sustentabilidade a longo prazo. À medida que as fontes renováveis, como a solar e a eólica, se desenvolvem e se tornam mais competitivas, a energia nuclear continua a ser uma opção, mas o seu papel no cabaz energético global pode mudar.