Como funciona uma usina nuclear?

Este post é sobre o que é energia de fissão nuclear e como funciona uma usina nuclear.

Energia de fissão nuclear

A usina nuclear usa a energia que vem da reação nuclear do urânio U-235 com um nêutron. Quando um nêutron acerta um núcleo de U-235, este se torna U-236 e fica instável, se divide em dois núcleos, um de Bário e um de Kriptônio, liberando uma grande quantidade de energia e várias partículas, incluindo nêutrons e raios gama.

Os nêutrons liberados acertam outros núcleos de U-235, criando uma reação em cadeia.

85% das reações com U-235 produzem fissão, enquanto as outras 15% produzem U-236 e raios gama, que são fótons de alta energia.

A energia gerada nestas reações é calculada pela equação a qual todos já ouviram falar.

E=mc^2

A massa é muito pequena, no entanto, multiplicando pela velocidade da luz ao quadrado, dá uma grande quantidade de energia. Sem contar as reações em cadeia. Uma reação nuclear descontrolada é usada em bombas atômicas, enquanto reações controladas são utilizadas em usinas e sistemas de propulsão.

O primeiro nêutron

De onde vem o primeiro nêutron para executar a reação em cadeia? Uma das fontes pode ser o isótopo Califórnio-252, que emite nêutrons espontaneamente.

Outra fonte pode ser o Amerício-241, que emite partículas gamma e alfa (núcleos de hélio), quando acertam o núcleo de berílio, este emite nêutrons. É possível usar um isótopo de plutônio em vez do Amerício-241. O próprio U-235 emite espontaneamente partículas alfa e pode iniciar reações em cadeia.

He^4+Be^9 \rightarrow C^12+n^1+5,7MeV

\gamma + Be^9 \rightarrow Be^8+n^1-1,66 MeV

U^{235}_{92}\rightarrow Th^{231}_{90}+He^{4}_{2}

O funcionamento da usina

Uma usina nuclear é uma termelétrica, ou seja, tem água que gera vapor para girar uma turbina. A diferença está em como esquentar a caldeira. Estas são barras de urânio usadas nos reatores nucleares.

O combustível nuclear montado para colocar no reator.

Na figura abaixo, tem um típico reator nuclear. A reação nuclear precisa ser controlada e fornecer níveis estáveis de energia, portanto, são usadas barras de controle feitas de materiais que absorvem nêutrons como boro, prata, índio ou cádmio. Estas barras são controladas por eletroímãs que levantam as barras.

O moderador, que rodeia o combustível, é feito de grafite, e também serve para controlar a reação em cadeia. A própria água é utilizada para controlar a reação e a temperatura. O reator fica dentro de uma estrutura de aço e concreto reforçado, para proteger contra vazamento de radiação.

Tipos de reatores

Nos reatores de água fervente, o vapor é gerado no reator e vai para a turbina.

[WPGP gif_id=”5771″ width=”600″]

Nos reatores de água pressurizada, o vapor é gerado fora do reator.

[WPGP gif_id=”5773″ width=”600″]