Como funcionam os reatores nucleares?

Essa pergunta apareceu muito na mídia no último mês, acompanhada de respostas sobre como funcionam os PWRs e os BWRs, tipos específicos de reatores nucleares. Entretanto, essa é uma pergunta que exige uma resposta muito mais ampla, como veremos.


Definição geral

Em termos gerais,

reatores nucleares são dispositivos cujos componentes são arranjados de tal forma que uma reação em cadeia auto-sustentada de fissões nucleares pode ocorrer de forma controlada.

Vamos analisar essa frase por partes:

- FISSÃO NUCLEAR: Já vimos em outro post que fissão nuclear é o processo pelo qual um núcleo pesado parte-se em dois núcleos menores, liberando nêutrons e energia.

- REAÇÃO EM CADEIA de fissão nuclear: Reação em cadeia, por sua vez, é uma sequência de reações de fissão que dependem do produtos das reações anteriores para ocorrer. Os nêutrons liberados na fissão de um núcleo, por exemplo, podem induzir novas fissões nucleares que, por sua vez, liberam mais nêutrons que podem induzir novas fissões e assim vai!

- Reação em cadeia de fissão nuclear AUTO-SUSTENTADA: Dizemos que a reação em cadeia é auto-sustentada quando o número de fissões nucleares em um certo instante de tempo é igual ou maior ao número de fissões nucleares que ocorreram em um instante de tempo anterior. Para entender melhor isso, vamos imaginar um experimento: no laboratório há um recipiente cheio de água e sal de Urânio dissolvido. Imagine que é possível medir o número de fissões que acontecem a cada intervalo de tempo neste recipiente. Na primeira contagem, ocorrem 1000 fissões em 1 segundo, por exemplo. Na segunda contagem, se o número de fissões medidos em 1 segundo for maior ou igual a 1000, a reação em cadeia é auto-sustentada, podendo ser crescente (no caso em que for maior) ou constante (se for igual). Por outro lado, se o número de fissões medidos na segunda contagem for menor que o medido na primeira, o número de reações vai caindo com o tempo, até que não aconteça mais nenhuma reação de fissão.

Os reatores nucleares operam, na maior parte do tempo, mantendo o número de reações constante com o tempo. Desvios dessa condição podem ocorrer, por exemplo, nas operações de partida (quando o número de fissões aumenta com o tempo) e no desligamento do reator (quando este número diminui com o tempo). Já no caso da bomba atômica, o número de fissões nucleares aumenta MUITO RÁPIDO com o tempo, de forma descontrolada, até culminar na grande explosão.

- Reação em cadeia de fissão nuclear auto-sustentada e CONTROLADA: nos reatores nucleares, além de auto-sustentada, a reação em cadeia é controlada. Uma das maneiras de realizar esse controle é através das chamadas barras de controle que atuam ABSORVENDO OS NÊUTRONS, impedindo-os de induzirem fissões nucleares além daquelas desejadas. Essas barras podem ser inseridas ou retiradas do núcleo dos reatores (isto é, a parte que contém o combustível nuclear) a fim de diminuir ou aumentar o número de nêutrons disponíveis para as fissões.

Para manter a reação em cadeia auto-sustentada e controlada nos reatores nucleares, os nêutrons são a chave: deve haver um equilíbrio, a cada instante, entre o número de nêutrons que são "criados" e o número de nêutrons que "desaparecem" do reator. Já vimos, em outro post, que cada fissão nuclear pode liberar de 1 a 4 nêutrons. Logo, a fissão nuclear é um dos mecanismos pelos quais nêutrons são "criados" nos reatores e depende, basicamente, das características do material usado como combustível nuclear e da disposição e características fisicas e químicas dos diversos componentes do reator. Por outro lado, os nêutrons podem "desaparecer" de duas formas: ou escapando do núcleo do reator ou sendo absorvidos dentro dele. Esse "desaparecimento" é governado tanto pelo tamanho do reator, quanto pela disposição e características de seus diversos componentes.

Dessa forma, ao se projetar um reator nuclear, deve-se considerar, entre outras coisas, a quantidade e o tipo de combustível utilizado, quais os materiais estruturais mais recomendados para minimizar a absorção de nêutrons em materiais não físsies (isto é, que não sofrem fissão, como o Ferro, por exemplo), as distâncias entre um elemento combustível e outro, a posição e composição química das barras de controle e o tamanho do reator. A combinação de diversos componentes criteriosamente selecionados permite que reações em cadeia de fissão auto-sustentadas e controladas aconteçam de forma segura nos reatores nucleares.


Componentes dos reatores nucleares

Afinal, o que são estes componentes dos reatores nucleares dos quais eu tanto falo? Vamos ver, em linhas gerais, aqueles que são comuns à grande maioria de reatores.

1. Combustível nuclear: é parte do reator composta pelo material que vai sofrer a fissão nuclear. O material mais utilizado como combustível nuclear no mundo é o Urânio enriquecido, material composto, basicamente, por dois isótopos de Urânio: U-238 (mais abundante na natureza) e U-235 (o mais cobiçado para a fissão nuclear). A razão entre a quantidade de U-235 e a de U-238 é a medida do ENRIQUECIMENTO do material. Esse urânio enriquecido é processado e misturado a outros materiais para formar as estruturas que são de fato usadas nos reatores nucleares. Pastilhas cerâmicas de Óxido de Urânio, por exemplo, podem ser agrupadas dentro de um envoltório metálico de liga de zircônio para formar as varetas combustíveis, tipo de estutura utilizada nos reatores de Angra dos Reis.

2. Fluido refrigerante: fluido utilizado para remover o calor liberado pelas fissões nucleares no combustível. São utilizados, dependendo do tipo de reator, gases como Hélio e vapor d'água, líquidos como água e água pesada e metais líquidos como sódio. No caso das usinas de Angra, a água é utilizada como líquido refrigerante.

3. Barras de controle e segurança: componentes que absorvem nêutrons a fim de controlar ou até desligar o reator em caso de emergência. Para isso, são frequentemente utilizados Carbeto de Boro e ligas de Prata-Índio-Cádmio. Pode-se usar também ácido bórico diluído no refrigerante.

4. Refletor: materiais refletores são utilizados para minimizar a fuga de nêutrons do núcleo do reator, refletindo parte dos nêutrons fujões para dentro do núcleo novamente. Para esse fim, os principais materiais utilizados são água, água pesada, grafite e Berílio.

5. Moderador: material utilizado para diminuir a velocidade dos nêutrons, requisito necessário em alguns tipos de reatores (como os térmicos). Isso porque o nêutron originado na fissão nuclear apresenta uma velocidade muito alta, atravessando o reator quase sem interagir com o material do combustível. Em outras palavras, a chance desse nêutron rápido induzir uma nova fissão é muito baixa, mas essa chance aumenta se a velocidade do nêutron for menor, daí a necessidade de freá-lo. Materiais como água, grafite e Berílio são frequentemente utilizados como moderadores.

Percebam que cada um desses componentes tem sua importância para o correto funcionamento dos reatores nucleares.


Muita informação? E isso é só o começo... Ainda há muito "pano pra manga" nesse tema de reatores nucleares! Mas, hoje paro por aqui! Não quero dar (mais!) nós na cabeça de vocês!


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