Ciências da Natureza e
Suas Tecnologias
Física
Prof. Tadeu Carvalho
nº
24
LIXO NUCLEAR BEM RECICLADO
A despeito da duradoura preocupação pública com a
segurança da *energia nuclear, mais e mais pessoas estão
percebendo que pode ser o modo mais amigável ao ambiente
de gerar grandes quantidades de eletricidade. Várias nações,
incluindo Brasil, China, Egito, Finlândia, Índia, Japão, Rússia,
Coreia do Sul, Vietnã e talvez paquistão, estão construindo
ou projetando usinas nucleares. Nos Estados Unidos, porém,
a última instalação do tipo foi construída há cerca de 30.
Se desenvolvida de forma sensata, a energia nuclear seria
verdadeiramente sustentável e essencialmente inexaurível,
operando sem contribuir para a mudança climática.
Em especial, uma forma relativamente nova de tecnologia
nuclear poderia superar os principais problemas dos métodos
atuais de geração de eletricidade por *fissão de átomos –
as preocupações sobre acidentes de *reatores, o potencial
de desvio de combustível nuclear para armas de destruição
em massa e o esgotamento das reservas globais de urânio
economicamente disponível. Esse ciclo de combustível nuclear
combinaria duas inovações: processamento pirometalúrgico
(método de alta temperatura para obter combustível a partir
da reciclagem do lixo do reator) e reatores modernos de
nêutrons rápidos, capazes de queimar esse combustível.
Com essa abordagem, a *radioatividade do lixo gerada
cairia para níveis seguros em poucas centenas de anos, assim
eliminando a necesidade de segregar o lixo por dezenas de
milhares de anos.
para que nêutrons provoquem fissão nuclear de forma
eficiente, precisam viajar muito devagar ou muito rápido.
A maioria das usinas contém o que são chamados de reatores
térmicos, alimentados por nêutrons de velocidade (ou
energia) relativamente baixa, ricocheteando dentro de seus
núcleos. Embora reatores térmicos gerem calor e, portanto,
eletricidade com eficiência, eles não minimizam a produção
de lixo radioativo.
Todos os reatores produzem energia ao quebrar os
núcleos de átomos de metais pesados (com alto peso
atômico), principalmente urânio e derivados. Na natureza,
o urânio aparece como uma mistura de dois isótopos, o
facilmente fissionável urânio 235 (que é chamado de “físsil”)
e o muito mais estável urânio 238.
A queima de urânio em um reator atômico é iniciada e
sustentada por nêutrons. Quando o núcleo de um átomo
físsil é atingido por um nêutron, especialmente um de
movimento lento, ele provavelmente vai se quebrar (fissão),
liberando quantidades substanciais de energia e vários
outros nêutrons. Alguns desses nêutrons emitidos então
acertam outros átomos físseis próximos, fazendo com que
eles se quebrem, assim propagando uma reação nuclear
em cadeia. O calor resultante é guiado para fora do reator,
onde transforma água em vapor, que é usado para girar uma
turbina que alimenta um gerador elétrico.
“
Reatores de
nêutrons rápidos
extrairiam muito
mais energia
de combustível
reaproveitado
em usinas,
minimizariam
os riscos da
proliferação
de armas e
reduziriam o
tempo necessário
de isolamento dos
dejetos.
”
Ciências da Natureza e Suas Tecnologias
O urânio 238 não é físsil; ele é chamado de “fissionável porque algumas vezes ele se quebra ao ser atingido por um
nêutron rápido. Ele também é chamado de “fértil”, porque quando um átomo de urânio 238 absorve um nêutron sem se
quebrar, ele se converte em plutônio 239, que, como o urânio 235, é físsil e pode sustentar uma *reação em cadeia. Após
cerca de três anos de vida útil, quando o combustível usado de um reator é removido em razão do esgotamento de urânio 235,
o plutônio já contribui com mais da metade da energia gerada pela usina.
Em um reator térmico, os nêutrons, que nascem rápidos, são desacelerados nas interações com átomos de baixo peso
atômico, como o hidrogênio da água que circula pelo núcleo do reator. Todos os cerca de 440 reatores comerciais em operação,
exceto dois, são térmicos. A maioria deles – incluindo os 103 reatores de usinas americanas – emprega a água tanto para
desacelerar os nêutrons como para transportar o calor criado pela fissão para o gerador elétrico associado. Esses sistemas
térmicos são, em sua maioria, o que os engenheiros chamam de reatores de água leve.
Em qualquer usina nuclear, átomos de metais pesados são consumidos conforme o combustível “queima”. Embora as
usinas comecem com combustível que teve seu conteúdo de urânio 235 enriquecido, a maior parte desse urânio facilmente
fissionável se perde após três anos. Quando os técnicos removem o combustível exaurido, apenas um vigésimo dos átomos
potencialmente físsionáveis nele (urânio 235, plutônio e urânio 238) foi usado, de forma que o chamado combustível gasto
ainda tem cerca de 95% da energia original. Além disso, apenas um décimo do minério de urânio extraído é convertido em
combustível no processo de enriquecimento (durante o qual a concentração de urânio 235 aumenta), de forma que menos de
um centésimo do conteúdo de energia total do minéiro é usado para gerar energia nas usinas atuais.
Esse fato significa que o combustível usado dos reatores térmicos atuais ainda tem potencial para gerar muita energia.
Como o suprimento mundial de urânio é finito e o crescimento continuado do número de reatores térmicos poderia exaurir as
reservas de urânio de baixo custo disponíveis em umas poucas décadas, faz pouco sentido descartar esse combustível “gasto”
ou as “sobras” deixadas pelo processo de enriquecimento.
O combustível gasto consiste em três classes de materiais. Os produtos da fissão, que compõem cerca de 5% do combustível
usado, são o lixo real – as cinzas do “fogo” da fissão, em uma analogia com uma combustão comum. Eles se resumem a
uma coleção de elementos mais leves, criados quando os átomos pesados se quebram. A mistura é altamente radioativa nos
primeiros anos. Após uma década, a atividade é dominada por dois isótopos, césio 137 e estrôncio 90. Ambos são solúveis em
água, então devem ser armazenados com muito cuidado. Em cerca de três séculos, a radioatividade desses isótopos declina
por um fator de mil, a ponto de eles se tornarem totalmente inofensivos.
O urânio compõe o grosso do combustível nuclear gasto (cerca de 94%); esse é o urânio não fissionado que perdeu a
maioria do urânio 235 e parece urânio natural (que é apenas 0,71% urânio 235 físsil). Esse componente é apenas levemente
radioativo e, se separado dos produtos da fissão e do resto do material no combustível gasto, poderia ser armazenado para
uso futuro em instalações que não requerem alta segurança.
O que equilibra o material – a parte realmente preocupante – é o componente transurânico, elementos mais pesados que
o urânio. Essa parte do combustível é principalmente composta de uma mistura de isótopos de plutônio, com uma presença
significativa de amerício. Embora os elementos transurânicos constituam apenas 1% do combustível gasto, eles são a principal
fonte do problema do lixo nuclear hoje. As meias-vidas (o período em que a radioatividade cai pela metade) desses átomos vão
até dezenas de milhares de anos, característica que levou o governo americano a exigir que o depósito de lixo nuclear de alto
nível planejado para a montanha Yucca, em Nevada, isole combustível gasto por mais de 10 mil anos.
ESTRATÉGIA ANTIQUADA
Os primeiros engenheiros nucleares esperavam que o plutônio no combustível gasto dos reatores térmicos fosse removido e
então usado em reatores de nêutrons rápidos do tipo FBR (“reatores criadores rápidos”), na sigla em inglês, porque foram projetados
para produzir mais plutônio do que consomem). Os pioneiros da energia nuclear também imaginaram uma economia que envolvesse
o comércio livre de plutônio, mas esse elemento pode ser usado para fazer bombas. Conforme a tecnologia nuclear se espalhou além
das principais superpotências, o potencial bélico levou a preocupações sobre a proliferação descontrolada de armas.
O Tratado de não proliferação nuclear respondeu parcialmente a esse problema, em 1968. Países que desejassem os
benefícios da teconologia de energia nuclear poderiam assinar o tratado e prometer não adquirir armas atômicas, enquanto
as nações já armadas concordariam em ajudar as demais com as aplicações pacíficas. Embora um grupo de inspetores
internacionais desde então tenha monitorado a adesão dos membros ao tratado, a eficácia desse acordo internacional tem
sido fragilizada pelo fato de que não existem meios de impor a obediência às regras.
Armas nucleares exigem plutônio quimicamente puro e com grande quantidade do isótopo 239. O plutônio das usinas
nucleares comerciais em geral contém quantidades substanciais de outros isótopos, tornando difícil usá-lo em bombas, e a
purificação é muito cara. A despeito disso, o uso de lixo de reatores em armas não é inconcebível. Por isso, o ex-presidente
Jimmy Carter baniu o reprocessamento civil de combustível nuclear nos Estados Unidos, em 1977. Para ele, se o plutônio não
fosse recuperado do combustível gasto, não poderia ser usado em bombas. Carter também quis que os EUA estabelecessem
um exemplo para o resto do mundo. Reino Unido, França, Rússia e Japão, no entanto, não seguiram os americanos, e o
reprocessamento de plutônio para uso em usinas continua a ocorrer em várias nações.
*ENERGIA NUCLEAR
Energia que mantém os prótons e nêutrons juntos no núcleo. Pode ser liberada por uma reação nuclear de fissão ou por decaimento radioativo.
*FISSÃO
Divisão de um núcleo pesado em duas partes quase iguais, acompanhada da liberação de energia, além de um ou mais nêutrons.
*REATOR NUCLEAR
Equipamento no qual a reação de fissão em cadeia pode ser iniciada, mantida e controlada. Reatores nucleares são usados na indústria de energia para
produzir vapor, gerando eletricidade em usinas termonucleares.
*RADIOATIVIDADE
Fenômeno natural de decaimento espontâneo ou transmutação de um núcleo atômico instável até atingir a estabilidade.
*REAÇÃO EM CADEIA
Reação que estimula a sua própria repetição. Numa reação de fissão em cadeia, um núcleo de um material físsil absorve um nêutron e cinde-se, liberando
nêutrons adicionais que por sua vez, são absorvidos por outros núcleos físses, repetindo o processo.
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NOVO MODELO DE USINA
Ar quente
Topo do silo
do rator
Ar frio
Fluxo de sódio
quente para
gerador
Sistema de refrigeração de
ar e módulo de exaustão
Abrigo do reator
Fundações do reator
Ciclo de sódio
secundario
4
Trocador de calor
intermediário
Bomba
de sódio
3
2
Bomba de sódio
Sódio frio bombeado
para o núcleo quente
1
Sódio aquecido
bombeado para o
trocador de calor
Sódio não radioativo
circulando entre o
trocador de calor e o
gerador a vapor
Piscina de
sódio líquido
Amortecedores
Núcleo quente
do reator
(isolante sísmico)
Vaso do reator
(barras de
combustível
Base do silo do reator
de urânio)
Um ciclo de energia nuclear mais seguro e sustentável para um futuro mais
verde poderia ser baseado no reator avançado de metal líquido (ALMR, sigla em
inglês), projeto desenvolvido nos anos 1980 por pesquisadores do Laboratório
Nacional de Argonne (EUA). Como todas as usinas de energia atômica, um sistema
baseado no ALMR dependeria de reações em cadeia no núcleo para produzir
calor necessáro e gerar eletricidade. Usinas nucleares comerciais atuais usam
reatores térmicos, que dependem de nêutrons lentos para propagar as reações
em cadeia em combustível de urânio e plutônio. Um sistema baseado no ALMR,
em comparação, usaria nêutrons rápidos (mais energéticos), que podem quebrar
também átomos transurânicos pesados e estáveis. O novo reator queimaria
combustível reciclado, proveniente de material gasto nos reatores térmicos. Isso
significa um melhor aproveitamento do combustível inicial. Na maioria dos projetos
de reatores térmicos, a água flui até o núcleo para desacelerar nêutrons e mantê-lo
frio. O ALMR, no entanto, emprega uma piscina de sódio líquido circulante como
resfriador (1). O sódio não desacelera muito os nêutrons rápidos e conduz calor
muito bem, o que melhora a eficiência das usinas.
O sistema de nêutrons rápidos funcionaria assim; a fusão no núcleo do
reator aqueceria o sódio que circula no resfriador. Parte do sódio quente fluiria
para um ciclo intermediário de troca de calor (2). Lá ele transferiria sua energia
térmica para sódio líquido não radioativo que corre por tubulações adjacentes,
mas separadas (3), de um ciclo de sódio secundário. O sódio não radioativo
(4) finalmente levaria o calor à caldeira do gerador a vapor (não mostrado na
ilustração).
SEGURANÇA NO REATOR
• Durante a operação, bombas poderosas forçariam o resfriador de sódio pelo núcleo. Se as bombas falhassem, a gravidade
faria circular o resfriador.
• Se as bombas do resfriador falhassem ou parassem, aparelhos de segurança especiais também permitiriam que mais
nêutrons (do que na operação normal) escapassem do reator.
• Em uma emergência, seis cilindros absorventes de nêutrons desceriam até o núcleo do reator para desligá-lo imediatamente.
• Caso as reações em cadeia continuassem, milhares de bolas de carboneto de boro seriam lançadas no núcleo, garantindo
o desligamento.
1. (PUC-Rio/2007)
EXERCÍCIOS
Homenagens e protestos relacionados aos 20 anos da tragédia de Chernobyl foram
realizados hoje em diversas cidades da europa (26/04/2006).
http://noticias.terra.com.br/mundo/interna/0,OI979048-EI294,00.html.
A charge apresentada, além de lembrar os tristes acontecimentos ocorridos há vinte anos, após o acidente na usina
termonuclear de Chernobyl, na Ucrânia, lembra que seus efeitos ainda estão presentes. Ao que parece, os impactos
ambientais no continente europeu continuam a causar preocupação em escala mundial. Das opções a seguir, marque a
única que não corresponde a uma preocupação relacionada ao uso e à produção desse tipo de matriz energética.
A)a alta rentabilidade da produção e comercialização de tal energia pode não compensar os eventuais problemas
socioambientais e políticos, causados pelo vazamento de lixo tóxico das usinas.
B) os projetos de usinagem termonuclear da atualidade estão ligados, na sua totalidade, a desejos geopolíticos
preocupantes de países que têm por objetivo o desenvolvimento de um arsenal nuclear que poderá, dentre outros
problemas, acionar conflitos regionais de impactos globais.
C)os custos na construção de um sistema de proteção das usinas termonucleares são muito superiores aos gastos
com a manutenção de usinas hidroelétricas, apesar destas, no continente europeu, dependerem dos aspectos
morfoclimáticos.
D)o perigo de doenças graves causadas pelo contato com produtos agrícolas, água potável, ar atmosférico e outros
materiais contaminados por radioatividade fazem com que, constantemente, movimentos políticos diversos e a
sociedade civil organizada lutem pela não proliferação da produção e comercialização desse tipo de energia.
E) o acúmulo de lixo tóxico, gerado pelas usinas, necessita de cuidados especiais de longo prazo e a proteção
permanente para os efeitos nocivos da radioatividade não é consenso entre os pesquisadores.
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2. (Udesc/2009) Sobre a produção de energia nuclear
no Brasil, assinale a alternativa incorreta.
A)Das quarenta usinas já previstas, além de Angra 3 e 4,
com capacidade de 1000 MW cada, duas ficarão em
Santa Catarina.
B) As obras de Angra 3 deverão começar até abril de
2009. O maior desafio para a conclusão das obras
são as exigências feitas pelo Ministério do Meio
Ambiente, entre elas, uma solução definitiva para o
lixo de média e alta radioatividade.
C)A Eletronuclear já se prepara para dar início às obras
de Angra 3, cujo projeto está parado há 22 anos.
D)O custo de geração de uma usina nuclear é maior
que o de outras fontes, o que pode encarecer o preço
médio da energia no país.
E) A energia nuclear responde por uma fatia de 17%
da geração elétrica mundial, segundo dados da
Eletronuclear de 2006. No Brasil, essa fatia é de
2,5%, de acordo com dados do Operador Nacional
do Sistema Elétrico (ONS), também de 2006.
(
) No ano de 1987, o Brasil registrou um acidente
nuclear, ocorrido a partir de um material
radioativo, no estado de Goiás, quando uma
cápsula de material radioativo, o Césio 137,
proveniente de um equipamento de raio-x,
abandonado num ferro velho. A família
proprietária do ferro velho abriu a cápsula e
teve contato com um pó amarelo radioativo,
a experiência matou 4 pessoas e contaminou
120 pessoas. Nesse caso, a segurança falhou
pela ausência de monitoramento no descarte de
material e equipamento de base nuclear em sua
composição.
(
) As principais vantagens da energia nuclear
são: o combustível é barato e pouco (em
comparação com outras fontes de energia),
é independente de condições ambientais/
climáticas (não depende do sol, como usinas
solares, ou da vazão de um rio, no caso das
hidroelétricas), a poluição gerada (diretamente)
é quase inexistente. Não ocupa grandes áreas.
A quantidade de lixo produzido é bem reduzido.
O custo da energia gerada fica em torno de 40
dólares por MW, mais caro que a energia das
hidroelétricas, mas mais barato que a energia
das termoelétricas, usinas solares, eólica, etc.
(
) As principais desvantagens da energia nuclear
são: alto custo de construção, em razão da
tecnologia e segurança empregadas; mesmo
com todos os sistemas de segurança, há
sempre o risco do reator vazar ou explodir,
liberando radioatividade na atmosfera e nas
terras próximas, num raio de quilômetros. Não
existem soluções eficientes para tratamento do
lixo radioativo, que atualmente é depositado
em desertos, fundo de oceanos ou dentro
de montanhas (existem projetos para enviar
o lixo para o Sol, o que poderia ser a solução
definitiva, mas muito cara e também perigosa,
imagine o que aconteceira se uma das cápsulas
que armazenam o lixo explodisse na atmosfera
da Terra?)
(
) Os principais componentes que compõem o
lixo radioativo produzido nas usinas nucleares,
são os produtos da fissão nuclear que ocorre
no reator. Após anos de uso de uma certa
quantidade de urânio, o combustível inicial
vai se transformando em outros produtos
químicos, como criptônio, bário, césio, etc,
que não têm utilidade na usina. Ferramentas,
roupas, sapatilhas, luvas e tudo o que esteve
em contato direto com esses produtos, é
classificado como lixo radioativo.
3. Julgue os itens a seguir.
(
) Segundo técnicos e defensores do uso das usinas
nucleares para a geração de energia elétrica, a sua
implementação para tal finalidade oferece menos
riscos diários que os processos de geração de energia
empregados por meio de hidrelétricas, termoelétricas
e petróleo. Desde que haja segurança operacional nas
usinas nucleares, a geração de energia nuclear não
oferece danos similares ao derramamento de óleo
pelas empresas petrolíferas e à poluição da atmosfera
ocorrida no processo das termelétricas.
(
) Apesar de vários grupos de ambientalistas se
oporem à produção de energia elétrica nuclear,
governos e empresas continuam investindo no setor,
destacando-a como uma geradora de energia sem
emissão de gases de efeito estufa na atmosfera. Porém,
os protestos contra as usinas nucleares é referente aos
altos custos de construção e aos danos irreversíveis ao
meio ambiente e à saúde do ser humano.
(
) Os protestos tiveram novo impulso em março
de 2011, depois do acidente na usina nuclear
de Fukushima, Japão, depois que o país do
sol nascente sofreu um forte terremoto,
seguido de tsunami na região nordeste de
seu território. Segundo os defensores da
produção de energia nuclear, num ambiente
de tolerância zero é possível aprimorar o nível
de segurança numa usina.
(
(
4
) O Brasil possui instalações nucleares na cidade
de Angra dos Reis, estado do Rio de Janeiro.
Angra 1 e Angra 2 nunca apresentaram riscos
ou iminência de acidentes de nível grave. Nos
países detentores de usinas nucleares, há
políticas de gestão integrada de segurança,
no Brasil, esse tipo de política também
é empregada para manter a qualidade,
proteção do meio ambiente, segurança dos
trabalhadores e técnicos envolvidos, e a saúde
da população local.
) Além de ambientalistas, as usinas nucleares
também são criticadas por acadêmicos que
apontam a segurança nuclear como algo
fantasioso. Os investimentos em energia nuclear
tiveram franca expansão nos anos 70 e 80,
sobretudo, empurrada pela crise do petróleo.
Nesse período, o acidente ocorrido em Three
Mile Island, nos EUA, retirou a confiança no
setor. Em 1986, o descrédito aumentou depois
do acidente na usina nuclear de Chernobyl.
Bibliografia
Scientific American Especial: Aula Aberta 07
http://www.infoescola.com/geografia/poluicao-nuclear-lixonuclear/
http://www.infoescola.com/fisica-nuclear/
GABARITO (V. 23)
1
2
3
4
5
E
C
C
C
B
Professor Colaborador: Beto Aquino
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OSG: 47694/11 André - RM.: