Como funciona uma usina nuclear?

As usinas nucleares são instalações industriais utilizadas para produzir energia elétrica por meio da energia produzida em reações de fissão nuclear. A produção de energia elétrica advinda desse processo teve início na década de 1950, após avanços no campo da radioatividade. Embora sempre alvo de discussões, as usinas nucleares são muito importantes para a matriz energética de diversos países.

Essas usinas possuem como grande vantagem a sua operação incessante, bem como o fato de não produzirem gases que contribuem para o efeito estufa. Contudo, os rejeitos continuam sendo um problema, embora defensores digam que a quantidade e o risco são pequenos. O Brasil possui duas usinas nucleares em operação, as usinas de Angra 1 e Angra 2, localizadas na cidade de Angra dos Reis, no Rio de Janeiro.

Confira no nosso podcast: Como funcionam as usinas nucleares?

Tópicos deste artigo

• 1 - Resumo sobre o funcionamento de uma usina nuclear
• 2 - O que é uma usina nuclear?
• 3 - O que é energia nuclear?
• 4 - Como funciona uma usina nuclear?
  • Componentes de um reator nuclear
  • Tipos de reatores nucleares
• 5 - Vantagens e desvantagens da usina nuclear
• 6 - As maiores usinas nucleares do mundo

Resumo sobre o funcionamento de uma usina nuclear

• Usinas nucleares são instalações industriais capazes de produzir energia elétrica proveniente da energia térmica gerada nos reatores nucleares.

• A energia dos reatores nucleares é produzida inicialmente por meio de reações de fissão nuclear, em que um nêutron acelerado colide com um átomo, produzindo núcleos atômicos menores e energia.

• Os átomos usados nas usinas nucleares são chamados de isótopos físseis ou isótopos férteis.

• A maioria dos reatores nucleares usa água como líquido refrigerante.

• O urânio-235 é o principal combustível nuclear.

• As usinas nucleares possuem vantagens ambientais, pois não produzem gases intensificadores do efeito estufa.

O que é uma usina nuclear?

Uma usina nuclear é uma instalação industrial que produz energia elétrica advinda da energia térmica gerada por reações nucleares.

As descobertas e os grandes avanços no campo da física nuclear nos séculos XIX e XX geraram a concepção de que alguns elementos eram capazes de emitir radiação, propriedade conhecida como radioatividade. Não demorou muito para que se percebesse o grande potencial energético dos materiais radioativos, até que, por volta de década de 1950, iniciou-se o processo de produção de energia elétrica proveniente da energia nuclear.

Segundo a World Nuclear Association, a produção mundial de energia elétrica por meio de usinas nucleares foi de 2.553 bilhões de kWh (quilowatt-hora) no ano de 2020. Entre os maiores produtores estão os Estados Unidos, China, França, Rússia, Coreia do Sul e Canadá. Segundo o Balanço Energético Nacional do Ministério de Minas e Energia, em 2020, o Brasil gerou 14.053 Gwh (gigawatt-hora) — ou 14,053 bilhões de kWh — de energia elétrica advinda de usinas nucleares.

O que é energia nuclear?

Energia nuclear é a aquela produzida durante uma transformação da estrutura atômica em decorrência de sua instabilidade. O núcleo atômico é formado por prótons e nêutrons, porém, alguns elementos possuem isótopos com um número grande de nêutrons, o que torna o núcleo instável (as forças repulsivas acabam superando a força atrativa nuclear, chamada de força forte).

Por vezes, essa instabilidade faz com que o átomo sofra o que os químicos chamam de “decaimento radioativo”, que é a transformação espontânea da espécie atômica por meio da emissão de partículas e energia. Esse fenômeno é nada mais nada menos que a radioatividade. Contudo, o decaimento radioativo nem sempre ocorre em uma velocidade apreciável ou com boa eficiência energética.

Assim, os cientistas Fritz Strassmann, Otto Hahn e Lise Meitner perceberam que, ao fazer colidir um nêutron de alta energia cinética em um núcleo atômico, este pode se tornar instável e gerar dois átomos menores, além de dois ou três nêutrons e uma grande quantidade de energia. Esse processo ficou conhecido como fissão nuclear. Os nêutrons produzidos possuem diversos caminhos possíveis:

• podem ser absorvidos pelo material do reator ou de outras estruturas;

• podem se evadir do reator;

• podem promover a fissão de outros átomos.

Ocorre que os nêutrons produzidos podem ter uma energia cinética muito elevada e, por isso, são chamados de “nêutrons rápidos”. Já os “nêutrons termais” são aqueles com menor energia cinética e são mais eficientes em promover a fissão nuclear.

Quando o nêutron dá continuidade ao processo, atingindo outros átomos e assim produzindo mais energia, tem-se o que chamamos de “reação em cadeia”. A reação é chamada assim porque os nêutrons formados podem atingir novos isótopos e produzir novas fissões, que produzirão novos nêutrons e assim sucessivamente, até o fim do combustível.

Contudo, a energia térmica gerada nesse processo atinge níveis muito altos em pouquíssimo tempo e, se não controlada, pode gerar uma explosão nuclear, uma reação em cadeia descontrolada.

Os átomos que conseguem desenvolver uma reação em cadeia são chamados de “isótopos físseis”, como é o caso do urânio-235 e plutônio-239. Outros, contudo, podem até sofrer fissão, mas não conseguem dar continuidade à reação, como é o caso do isótopo urânio-238. Apesar de sofrer fissão com nêutrons bastante acelerados, os nêutrons gerados são de baixa energia e não conseguem dar prosseguimento à reação. Isótopos como o urânio-238 são chamados de “isótopos férteis”.

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Como funciona uma usina nuclear?

De forma simplificada, o combustível radioativo, ao sofrer uma reação nuclear, produz uma grande quantidade de energia (reação exotérmica). Essa energia é transferida na forma de calor para uma massa de água, a qual evapora e produz vapor. Esse vapor é direcionado para uma turbina, cuja energia mecânica é utilizada para um gerador produzir energia elétrica.

Ou seja, quando se fala em uma usina nuclear, devemos lembrar que existem três transformações de energia envolvidas. A energia gerada na reação nuclear se transforma em energia térmica, depois a energia térmica se transforma em energia mecânica e, por fim, a energia mecânica se transforma em energia elétrica.

1. Componentes de um reator nuclear

A maioria dos reatores nucleares possuem os seguintes componentes:

1. Combustível: são os isótopos físseis, os quais são usados para produzir energia por meio da fissão nucelar. A maioria das plantas utiliza urânio-235, seja na sua forma natural (teor de aproximadamente 0,7% em massa) ou enriquecido (teor em massa aumentado, podendo chegar a cerca de 90%). Também existem reatores que usam plutônio-238 (não é natural, mas é produzido a partir do urânio-238) e até mesmo tório-232, que, apesar de ser um isótopo fértil, produz o urânio-233, um isótopo físsil.

O urânio, principal combustível, pode ser usado de diversas formas, seja na forma metálica pura, em uma liga ou na forma de um composto, como UO₂ (dióxido de urânio) ou UC (carbeto de urânio). O combustível é comumente colocado em tubos, chamados de hastes de combustível.

2. Moderador: é um material capaz de diminuir a velocidade (energia cinética) dos nêutrons produzidos na fissão, tornando-os mais aptos para novas reações de fissão. Em geral, o moderador é a água, mas também é possível que seja água pesada (em que os átomos de hidrogênio são formados pelo isótopo deutério, ²H), grafite e berílio.

3. Hastes de controle: são feitas de um material que tem a capacidade de absorver nêutrons, como cádmio, háfnio ou boro, sendo inseridos ou retirados do núcleo do reator para controlar a velocidade da reação nuclear ou simplesmente pará-la.

4. Fluido de arrefecimento (ou refrigerante): é um fluido que circula pelo núcleo do reator a fim de resfriá-lo por troca de energia térmica. Em geral é a água, mas também pode ser o dióxido de carbono, hélio e até metais líquidos. Em alguns tipos de usinas nucleares, o fluido de arrefecimento não só resfria o núcleo do reator como também transfere energia térmica para o gerador de vapor.

5. Gerador de vapor: parte integrante dos reatores que usam água como refrigerante. No caso, a água altamente pressurizada e, carreando toda a energia térmica oriunda do reator nuclear, é utilizada para geração de vapor em um circuito secundário. Sua estrutura lembra o radiador dos carros.

2. Tipos de reatores nucleares

• Reatores nucleares de água leve: reator de água pressurizada (PWR); reator de água fervente (BWR); reator de água moderado por grafita ou reator canalizado de alta potência (LWGR).

• Reatores nucleares de água pesada pressurizada (PHWR ou Candu).

• Reatores nucleares a gás avançado ou reatores nucleares a gás-grafita (AGR).

• Reatores nucleares de nêutrons rápidos (FNR).

• Reatores nucleares avançados.

Dentre todos os tipos de reatores nucleares, o mais comum é o do tipo PWR, com cerca de 300 em operação pelo mundo para produção de energia. As únicas usinas nucleares brasileiras, Angra 1 e Angra 2, localizadas na cidade de Angra dos Reis, no estado do Rio de Janeiro, são do tipo PWR.

Nessa planta industrial, a água é utilizada tanto como líquido de arrefecimento quanto moderador. São dois circuitos básicos: um em que o líquido de arrefecimento está altamente pressurizado (a 325 °C e cerca de 150 atmosferas de pressão, prevenindo a ebulição) e passa pelo núcleo do reator e outro em que o vapor é gerado para fazer o funcionamento das turbinas.

O tipo BWR é o utilizado na usina de Fukushima, Japão, famoso por conta do acidente em março de 2011. É semelhante ao PWR, com a diferença de que há apenas um único circuito em que a água está em menor pressão (cerca de 75 atmosferas). Já o tipo LWGR era o utilizado na usina de Chernobyl, cidade ucraniana. Os russos chamam esse tipo de reator de RBMK (reaktor bolshoy moshchnosty kanalny, traduzido como “reator canalizado de alta potência”). Nesse reator, o sistema é refrigerado à água, mas o moderador é feito pela grafita.

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Vantagens e desvantagens da usina nuclear

Em termos operacionais, as usinas nucleares possuem a vantagem de poderem operar por 24 horas, sete dias por semana, sem interrupção, já que não são afetadas por condições climáticas (como é o caso das hidrelétricas). O tempo de operação também é longo, podendo durar cerca de 60 anos na maioria dos casos.

Outro ponto importante é que em usinas nucleares não há emissão de gases-estufa, ou seja, gases capazes de intensificar o efeito estufa. Calcula-se que uma usina nuclear produz cerca de 12 de gramas de CO₂ equivalente por kWh, a mesma quantidade das usinas eólicas, além de ser um terço daquela da energia solar.

Os rejeitos de usinas nucleares sempre despertam atenção e medo. Segundo a World Nuclear Association, apenas 3% do rejeito nuclear é altamente radioativo (combustível utilizado), sendo boa parte (90%) de baixa radioatividade, como instrumentos e equipamentos de proteção. Estima-se que a energia elétrica necessária para uma pessoa por um ano produza um rejeito do tamanho de um tijolo, sendo que cerca de 5 gramas seria rejeito altamente radioativo.

Mesmo assim, a radioatividade de um rejeito pode se manter por bilhões de anos. Embora os países tenham avançado na forma de alocá-los, até mesmo reciclando-os, as discussões sobre os mesmos ainda se mantêm. Alguns países ainda optam pela deposição direta, em que o rejeito é simplesmente lacrado em tubos ou caixas metálicas que são seladas com pedras e concreto e enterradas sem qualquer reciclagem.

Na reciclagem, a ideia é retirar urânio e plutônio do rejeito para que possam ser adicionados em amostras combustíveis novas. Contudo, a prática ainda gera rejeitos (embora menos danosos), os quais também acabam sendo depositados de forma direta.

Embora não sejam comuns, acidentes em usinas nucleares, como o de Chernobyl, em 1986, e Fukushima, em 2011, causam sérios impactos socioeconômicos nas suas comunidades, sendo necessário isolamento de área, bem como evacuação imediata da população. Mesmo que as fatalidades diretas tenham sido pequenas nesses dois acidentes (46 mortes em Chernobyl e nenhuma em Fukushima), muitos em Chernobyl desenvolveram câncer de tireoide em função da ingestão de alimentos contaminados.

Mesmo assim, a Organização Mundial de Saúde (OMS) concluiu que efeitos nocivos à saúde por conta da radiação foram muito pequenos em acidentes de reatores nucleares.

As maiores usinas nucleares do mundo

1. Usina Nuclear de Kashiwazaki-Kariwa, Japão: capacidade de 7.965 MW de produção.

2. Usina Nuclear de Bruce, Canadá: capacidade de 6.430 MW de produção.

3. Usina Nuclear Hanul, Coreia do Sul: capacidade de 5.908 MW de produção.

4. Usina Nuclear de Hanbit, Coreia do Sul: capacidade de 5.899 MW de produção.

5. Usina Nuclear de Zaporizhzhia, Ucrânia: capacidade de 5.700 MW de produção.

Uma curiosidade: o complexo de usinas de Angra dos Reis (Angra 1 e Angra 2) consegue produzir 1.890 MW de energia elétrica.

Por Stéfano Araújo Novais
Professor de Química