Um reator nuclear (ou reator atômico) é uma instalação capaz de converter energia nuclear em energia térmica. Os reatores têm a capacidade de iniciar, controlar e manter as reações nucleares em cadeia que ocorrem no núcleo desta instalação.
Em uma usina nuclear comum, os reatores nucleares são utilizados para produzir energia térmica e gerar vapor d'água para acionar as turbinas a vapor com as quais ela é obtida.
Operação basica
Um reator nuclear gera energia por meio da fissão nuclear, processo no qual os núcleos de átomos pesados, como o urânio-235 ou o plutônio-239, se dividem em fragmentos menores quando bombardeados por nêutrons. Esta divisão libera uma enorme quantidade de energia na forma de calor.
O reator contém um núcleo com combustível nuclear, geralmente na forma de barras de combustível. Os nêutrons iniciais colidem com os átomos do combustível, causando sua fissão e liberando mais nêutrons e energia. Esses nêutrons liberados causam mais fissões em uma reação em cadeia controlada.
Para gerenciar essa reação, o reator possui hastes de controle feitas de materiais que absorvem nêutrons, como boro ou cádmio. Ao ajustar a posição dessas barras, você pode acelerar, desacelerar ou interromper a reação em cadeia.
O calor gerado no núcleo do reator aquece um refrigerante, normalmente água, que circula através do núcleo. Este refrigerante transfere calor para um gerador de vapor, onde é produzido vapor de alta pressão. O vapor aciona uma turbina conectada a um gerador elétrico, produzindo eletricidade.
Para que serve um reator nuclear?
Um reator nuclear é usado principalmente para gerar energia elétrica por meio de um processo denominado fissão nuclear controlada. As usinas nucleares são instalações projetadas para utilizar reatores nucleares para esse fim.
No entanto, os reatores atômicos existem para cumprir outros objetivos. Aqui estão alguns usos e benefícios dos reatores nucleares:
Geração de energia elétrica
Os reatores nucleares são uma fonte contínua de energia elétrica. A fissão nuclear produz uma grande quantidade de calor, que é usada para gerar vapor e acionar turbinas, que por sua vez geram eletricidade.
Uma das principais vantagens que os reatores atômicos proporcionam é que podem operar por longos períodos sem interrupção. Dessa forma, eles podem fornecer uma fonte de energia básica constante para atender à demanda elétrica.
Produção de radioisótopos
Os reatores nucleares também são utilizados para a produção de radioisótopos utilizados na medicina, pesquisa e aplicações industriais.
Alguns radioisótopos possuem propriedades únicas que são utilizadas em diagnósticos e tratamentos médicos, como diagnóstico por imagem e radioterapia.
Pesquisa científica e tecnológica
Os reactores nucleares desempenham um papel crucial na investigação científica e no desenvolvimento tecnológico.
Os reatores de pesquisa são usados para:
-
Estude a física dos núcleos atômicos.
-
Realizar pesquisas sobre materiais nucleares.
-
Simule condições extremas.
-
Analise a segurança.
-
Melhorar e desenvolver novos projetos de reatores.
Partes de um reator nuclear
Um reator nuclear é composto pelos seguintes componentes:
1. Núcleo
É composto por barras de combustível. O núcleo do reator possui 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 de água, com cerca de 10 a 12 metros de profundidade, ou dentro de um vaso de pressão feito de aço.
2. Barras de combustível
Eles são o local físico onde o combustível nuclear está confinado. Algumas barras de combustível contêm urânio misturado com alumínio na forma de folhas planas. Estas folhas são separadas por uma certa distância que permite a circulação do fluido dissipador de calor.
As folhas são colocadas em uma espécie de caixa que serve de suporte.
O combustível nuclear é um material com capacidade de fissão suficiente para atingir massa crítica. Isto é, para manter uma reação nuclear em cadeia. Está colocado de forma que a energia térmica produzida por esta reação nuclear possa ser extraída rapidamente.
O combustível nuclear sólido é usado em usinas nucleares. Os combustíveis nucleares variam dependendo do tipo de reator, mas geralmente são usados derivados de urânio.
O urânio natural é extraído de minas de urânio, mas não é radioativo o suficiente para ser usado diretamente em um reator. O urânio natural passa por um processo de enriquecimento para obter isótopos mais instáveis para aumentar o coeficiente de reatividade.
Para que um reator nuclear funcione por um período de tempo, ele deve ter reatividade excessiva, que é máxima com combustível novo e diminui com sua vida útil até ser eliminada. Neste momento é realizada a recarga do combustível nuclear.
3. Barras de controle
Os feixes de hastes de controle fornecem um meio rápido de controlar reações em cadeia. Estas barras permitem mudanças rápidas de potência no reator nuclear e seu eventual desligamento em caso de emergência.
As hastes de controle são feitas de materiais que absorvem nêutrons e geralmente têm as mesmas dimensões dos conjuntos de combustível.
O coeficiente de reatividade do núcleo aumenta ou diminui aumentando ou diminuindo as hastes de controle. Ao aumentá-los ou abaixa-los, a presença de material absorvente de nêutrons neles contido no núcleo é modificada.
Em operação normal, um reator nuclear tem as hastes de controle total ou parcialmente removidas do núcleo.
O projeto das usinas nucleares é tal que em caso de falha no sistema de segurança ou controle do reator, ela atua sempre no sentido da segurança máxima, inserindo completamente todas as hastes de controle no núcleo do reator.
Esta ação faz com que o reator nuclear pare com segurança em poucos segundos.
4. Moderador nuclear
Os nêutrons resultantes de uma reação de fissão nuclear possuem alta energia cinética. Quanto maior for a sua velocidade, menor será a probabilidade de fissionarem outros átomos, por isso é aconselhável reduzir esta velocidade para encorajar novas reações em cadeia.
A função do moderador é reduzir a energia cinética dos nêutrons através de colisões elásticas dos nêutrons com os núcleos do próprio moderador.
Entre os moderadores mais utilizados estão água leve, água pesada e grafite.
5. Refrigerante
Para aproveitar a energia térmica liberada pelas reações de fissão nuclear, é utilizado um refrigerante. A função do refrigerante é absorver essa energia térmica e transportá-la.
O líquido 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
-
Líquidos como água leve e água pesada.
-
Existem ainda alguns compostos orgânicos e metais líquidos como o sódio, que também são utilizados para esta função.
6. Refletor
Numa 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 direcione de volta para a região de reação.
O meio refletor que circunda o núcleo deve ter uma seção de captura efetiva baixa para não reduzir o número de nêutrons e para que o maior número possível deles seja refletido.
7. Blindagem
Quando o reator nuclear está em operação, é gerada uma grande quantidade de radiação . A blindagem é usada para proteger e isolar os trabalhadores das instalações da radioatividade causada por produtos de fissão.
Portanto, um escudo biológico é colocado ao redor do reator para interceptar essas emissões radioativas.
Os materiais mais utilizados para construir esta blindagem são concreto, água e chumbo.
Tipos de reatores
Existem vários tipos de reatores nucleares, alguns dos quais são:
- Reator de Água Pressurizada (PWR): Em um PWR, a água é usada como refrigerante e moderador. Água em alta pressão circula pelo núcleo do reator para transferir o calor produzido pelas reações nucleares. É o tipo mais comum de reator em usinas nucleares comerciais.
- Reator de água fervente (BWR): Em um BWR, a água é usada como refrigerante e moderador. A água ferve no núcleo e o vapor gerado aciona turbinas para gerar eletricidade.
- Reator de água pesada pressurizada (CANDU): Nestes reatores, o moderador é a água pesada (óxido de deutério) e o refrigerante é a água leve. Eles são conhecidos por sua flexibilidade e capacidade de usar urânio natural como combustível.
- Reator de sal fundido (MSR): Em um MSR, o combustível nuclear é dissolvido em um sal fundido que serve como refrigerante. Eles são conhecidos por sua segurança inerente e capacidade de operar em altas temperaturas.
- Reator rápido resfriado por metal (LMFR): Esses reatores usam metais líquidos, como sódio ou chumbo, como refrigerantes e operam em velocidades de nêutrons mais rápidas. Eles são eficientes na transmutação de resíduos nucleares e na produção de mais combustível.
- Reator de Grafite de Água Pesada (HWGCR): Este tipo de reator utiliza grafite como moderador e água pesada como refrigerante. Eles são conhecidos por seu uso na produção de plutônio.
- Reator Rápido de Nêutrons (FNR): Os reatores rápidos de nêutrons operam com nêutrons rápidos em vez de moderados. São eficientes no uso de combustível e na produção de novos materiais nucleares.