Um reator nuclear é uma instalação capaz de converter energia nuclear em energia térmica. Os reatores têm a capacidade de iniciar, controlar e manter as reações em cadeia nuclear que ocorrem no centro desta instalação.
Em uma usina nuclear comum, os reatores nucleares são usados para produzir energia térmica e gerar vapor de água. As turbinas são usadas com o vapor para obter energia elétrica.
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 ideais para sustentar uma reação em cadeia de fissão nuclear.
O arranjo de absorvedores de nêutrons e hastes de controle permite controlar a reação em cadeia e o desligamento e inicialização do reator nuclear.
A reação em cadeia nuclear é produzida e mantida no núcleo do reator com o objetivo de aquecer a água que será usada para alimentar as turbinas da usina.
Quais são as partes de um reator nuclear?
Um reator nuclear é composto dos seguintes componentes:
Núcleo do reator nuclear
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 de água, com cerca de 10 a 12 metros de profundidade, ou dentro de um vaso de pressão feito de aço.
Varetas de combustível nuclear
Eles são o lugar físico onde o combustível nuclear é confinado. Algumas barras de combustível contêm urânio misturado ao alumínio na forma de folhas planas. Essas folhas são separadas por uma certa distância que permite a circulação do fluido do dissipador de calor.
Os lençóis são colocados em uma espécie de caixa que serve de suporte.
Nuclear combustível
O combustível nuclear é um material com capacidade de fissão suficiente para atingir massa crítica. Ou seja, para manter uma reação em cadeia nuclear. Ele é posicionado de forma que a energia térmica que produz essa reação nuclear possa ser extraída rapidamente.
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 um reator nuclear funcionar por um período de tempo, ele deve ter um excesso de reatividade, que é máximo com combustível novo e diminui com sua vida até que seja cancelado. Neste momento é realizada a recarga do combustível nuclear.
Hastes de controle
Os feixes de hastes de controle fornecem um meio rápido de monitorar as reações em cadeia. Essas barras permitem mudanças rápidas na potência do reator 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 elementos de combustível.
O coeficiente de reatividade do núcleo é aumentado ou diminuído aumentando ou diminuindo as hastes de controle. Ao aumentá-los ou diminuí-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 na segurança de um reator ou no sistema de controle, atue sempre no sentido de máxima segurança, inserindo totalmente todas as hastes de controle no núcleo do reator.
Essa ação leva o reator nuclear a um desligamento seguro em alguns segundos.
Moderador nuclear
Os nêutrons resultantes de uma reação de fissão nuclear têm alta energia cinética. Quanto maior sua velocidade, menos provável que fissem outros átomos, é conveniente reduzir essa velocidade para estimular novas reações em cadeia.
A função do moderador é reduzir a energia cinética dos nêutrons por meio de colisões elásticas dos nêutrons com os núcleos do próprio moderador.
Entre os moderadores mais utilizados estão água leve, água pesada e grafite.
Refrigerante do reator
Para aproveitar a energia térmica liberada pelas reações de fissão nuclear, um refrigerante é usado. A função do refrigerante é absorver essa energia térmica e transportá-la.
O refrigerante deve ser anticorrosivo, com alta capacidade calorífica 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 até alguns compostos orgânicos e metais líquidos como o sódio, que também são usados para essa função.
Refletor de nêutrons
Em uma reação em cadeia nuclear, certo número de nêutrons tende a escapar da região onde são produzidos. Esse vazamento de nêutrons pode ser minimizado com a existência de um meio refletor que os redireciona para a região de reação.
O meio reflexivo que circunda o núcleo deve ter uma seção de captura efetiva baixa para não reduzir o número de nêutrons e que o maior número possível deles seja refletido.
Escudo do reator nuclear
Quando o reator está em operação, uma grande quantidade de radiação é gerada. 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 usados para construir este escudo são concreto, água e chumbo.
