Como se quebra um átomo: a ciência por trás da fissão nuclear | Super
Por que urânio?
Como se quebra um átomo: a ciência por trás da fissão nuclear
Indivisível. Indestrutível. Imutável. Para os filósofos gregos, que criaram a ideia de átomo, ele era assim. Mas a ciência descobriu como ir além.
por Tiago Cordeiro Atualizado em 8 set 2020, 20h03 - Publicado em 5 jan 2020	11h34
Os edifícios típicos de uma usina nuclear têm dezenas de metros de altura. O de Angra 2, por exemplo, alcança 60 metros, o equivalente a um prédio de 20 andares. Toda essa estrutura existe, basicamente, para proteger algumas varetas de aproximadamente 4 metros de comprimento, que contêm cerca de 400 pastilhas cilíndricas de um centímetro de comprimento e de diâmetro cada uma. É a partir das reações nucleares ocorridas com o material dessas pastilhas que se aquece a água, a ponto de vaporizá-la para proporcionar o movimento da turbina que gerará a energia elétrica.
Feita de urânio, a pastilha é resultado de um processo industrial complicado. Na natureza, o urânio é encontrado dentro de rochas. Nas minas de extração, elas são trituradas e submetidas a um processo químico que resulta no chamado yellowcake, um pó com o mineral concentrado. Esse material precisa então ser processado para se obter o hexafluoreto de urânio no estado gasoso.
Esse processo o Brasil não domina o suficiente para atender à demanda interna: em geral nós extraímos a rocha, formamos o pó, enviamos para o exterior e recebemos de volta o gás. É só na forma de gás que o urânio pode ser enriquecido. Enriquecer urânio é basicamente aumentar a concentração dos átomos com o isótopo U-235. Na natureza, ele é encontrado em 0,7% das rochas. Uma usina nuclear precisa de 3% de concentração de U-235. Uma bomba, de mais de 90%.
Vista de longe, Angra 2, no Rio de Janeiro, parece uma indústria comum. Não é. Brazil Photos/Getty Images
Para transformar o urânio de sua forma mais comum, o U-238, na versão que tem o poder de se fissionar, o hexafluoreto de urânio passa por uma centrífuga. Conforme ela gira, separa o U-235, mais leve, do U-238, mais pesado. Quanto mais se repete o processo, mais concentrado de U-235 fica o material que, finalmente, é transformado na pastilha.
Quando estão prontas, as pastilhas são colocadas dentro das varetas feitas de uma liga de aço especial, o zircaloy. Dezenas dessas varetas formam feixes, que são posicionados dentro do núcleo do reator. Em geral, esses feixes são envolvidos por água, com profundidade de até 12 metros. É dentro do núcleo que a mágica acontece.
Todo esse trabalho, da mina de urânio até o forno, tem um objetivo, em tese, muito simples: bombardear as pastilhas com nêutrons, de forma a romper os núcleos dos átomos de urânio. A quebra desses átomos produz mais nêutrons, que quebram mais átomos, e a reação continua sozinha.
A energia decorrente desse processo gera calor, que aquece água, cujo vapor movimenta uma turbina, que gera energia elétrica. A partir do momento em que a reação acontece, a sequência de ações não é tão diferente de uma usina termelétrica comum, movida a carvão: tudo se resume a transformar calor em eletricidade. No caso da usina nuclear, o diabo está nos detalhes.
Romper átomos de urânio resulta em muito mais calor, proporcionalmente, do que o obtido com a queima de carvão. Por outro lado, a fissão produz uma série de subprodutos radioativos, que têm de ser armazenados com cuidado – por dezenas, centenas ou até milhares de anos. Além disso, ao fim de três anos, 75% do urânio de uma pastilha desaparece, e ela precisa ser substituída.
Visão de cima de um reator em construção no Canadá. As varetas de controle ficam instaladas nos pontos escuros. Bettmann/Getty Images
O ciclo de bombardeamento com nêutrons, transformação de elementos químicos, geração de calor e emissão de radiação precisa ser controlado, de forma que mantenha a usina em funcionamento sem provocar um colapso. Para isso existem as varetas de controle e os moderadores, componentes fundamentais para garantir a segurança de qualquer usina.
As varetas ficam posicionadas em torno do núcleo, e podem ser lançadas para dentro dele sempre que necessário. São feitas de materiais que absorvem nêutrons, normalmente carboneto de boro, mas também ligas de prata, índio e cádmio. Ao entrar no núcleo, atrapalham a circulação dos nêutrons, desacelerando a fissão dos átomos.
Mas controlar a quantidade não basta: também é preciso regular a velocidade dos nêutrons porque, à medida que eles reagem, ganham velocidade e perdem a capacidade de fissionar átomos. Para isso entram em cena os moderadores, que atuam como freios. Os moderadores mais encontrados nas usinas são água, que pode ser comum (também chamada de leve) ou pesada (ou seja, formada por dois átomos de deutério e um de oxigênio). Existem usinas que utilizam o grafite – Chernobyl era uma delas.
A partir do reator, o calor é enviado para uma turbina, que alimenta um gerador. Como se envia calor? Na maior parte dos modelos de usinas, passando tubos de água pelo reator. Esses tubos costumam manter o líquido a alta pressão, de forma que ele não evapora perto dos 100 oC, como deveria. Nas usinas de Angra, por exemplo, a água alcança os 320 oC. Em muitos tipos de usina, não entra em contato diretamente com as turbinas: os tubos passam por dentro delas e aquecem um sistema secundário. Quando a água esfria, retorna para dentro do reator.
As usinas brasileiras utilizam o modelo de reator mais comum do mundo, o PWR, sigla em inglês para "reator de água pressurizada". De acordo com a Agência Internacional de Energia Atômica (AIEA), da ONU, existem 298 usinas com reatores PWR em operação no mundo, com geração líquida total de 282.443 megawatts (MW), o que corresponde a cerca de 66% da capacidade nuclear instalada no planeta. Das 55 usinas nucleares em construção, 45 (81,8%) terão reatores PWR.
"Basicamente pode-se pensar numa panela de pressão convencional, na qual, com o aumento da pressão interna, a água ferverá numa temperatura maior que a normalmente utilizada", explica o físico Ítalo Curcio, professor da Universidade Presbiteriana Mackenzie. Existem outros modelos, que variam principalmente de acordo com os moderadores utilizados e a forma adotada para conduzir o calor. Também muda o combustível: existe uma forma de gerar eletricidade a partir de urânio não enriquecido. "A vantagem do urânio natural é evitar o enriquecimento, que é dispendioso e tecnologicamente difícil", explica o físico Luiz Pinguelli Rosa, professor da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ).
"Para utilizar o urânio natural, eu não posso adotar, como moderador, a água comum, também chamada de água leve. Então sobram duas alternativas: o grafite e a água pesada", explica Pinguelli Rosa.
O grafite está na base dos reatores RBMK, desenvolvidos pela União Soviética, mais baratos, fáceis de operar – e instáveis, ao menos antes do acidente de Chernobyl, que levou o governo russo a fazer uma série de atualizações de segurança no modelo. Ainda assim, na Rússia, atualmente, a maioria dos reatores segue o padrão mais utilizado no mundo, o PWR.
Já o modelo de reatores com água pesada e urânio não enriquecido, conhecido como PHWR, é muito utilizado, principalmente, no Canadá, que o exportou para a Argentina e a Índia. Neste momento, a indústria aposta nos reatores rápidos, que dispensam a necessidade de moderadores de nêutrons. Eles utilizam urânio natural e sódio líquido para transportar o calor.
As armas nucleares são secretas, mas as usinas de energia compartilham informações. Bettmann/Getty Images
As usinas de geração de eletricidade a partir da fissão do núcleo de urânio surgiram pouco depois das bombas atômicas. A primeira vez que um reator nuclear produziu energia elétrica foi em 3 de setembro de 1948, em Oak Ridge, Tennessee. No início dos anos 1950, os russos tiraram o atraso e chegaram na frente ao inaugurar, em Obninsk, em 27 de junho de 1954, a primeira usina nuclear a enviar eletricidade para a rede nacional.
Naquela época, as usinas nucleares eram vistas como uma fonte de energia incrivelmente abundante – havia até quem dissesse que a eletricidade gerada por elas acabaria sendo distribuída de graça, ou quase. Não foi o que aconteceu. Muitas das primeiras instalações já foram abandonadas.
Afinal, usinas nucleares têm vida útil – são programadas para durar pelo menos 40 anos, mas dezenas delas foram desativadas com duas décadas de atividade por culpa dos custos operacionais. O processo de desmontá-las é delicado e tão caro quanto o de construir. Prova de que, embora a teoria em si seja até simples, quebrar átomos acaba sendo muito mais complicado do que pode parecer à primeira vista.
Ninguém jamais conseguiu responder direito a essa questão.
No início do desenvolvimento das usinas nucleares, era comum que os resíduos fossem simplesmente descartados na natureza – é o caso do complexo nuclear de Mayak, como você vai ler na reportagem Radiação à solta. Em quase todos os países que mantêm usinas nucleares, incluindo o Brasil, a Inglaterra e a Coreia do Sul, eles são mantidos em piscinas e em depósitos temporários. O ideal seria enterrar os resíduos, bem fundo, nos chamados depósitos geológicos, capazes de, na teoria, abrigar o material radioativo com segurança por milhares de anos. Mas não é fácil encontrar um lugar assim.
A Alemanha está tentando, depois de desistir de utilizar uma mina de sal em Gorleben. Os Estados Unidos chegaram a uma solução: a montanha Yucca, no deserto de Nevada. Um buraco começou a ser cavado ali. Acontece que, desde a década de 1980, toda tentativa de acelerar as obras esbarra na reação da comunidade local, e os trabalhos são interrompidos. Assim como entre os alemães e os americanos, os franceses já identificaram um local, em Bure, mas esbarram nos protestos dos moradores da região. A Finlândia conseguiu formar um depósito permanente, de 420 metros de profundidade.
As obras estão perto de terminar e vão resultar no primeiro depósito definitivo da história. A Austrália pensou em ganhar dinheiro com o problema, mas os planos de construir um amplo depósito internacional, que receberia dejetos atômicos do mundo inteiro, também esbarraram na reação popular.
Ele foi o escolhido entre outras dezenas de opções.
Primeiro, porque ele é relativamente comum no nosso planeta, e está disponível em minas de todos os continentes, o que facilita a exploração comercial e reduz a dependência de poucos países, como acontece com o petróleo. O Brasil, aliás, tem a quinta maior reserva de urânio do mundo, atrás de, pela ordem, Austrália, Cazaquistão, Canadá e Rússia.Segundo, e mais importante: o urânio gera uma quantidade enorme de energia ao ser alvejado por nêutrons, mas a ciência sabe como controlar esse processo com um grau razoável de segurança, de forma a gerar a reação em cadeia que garante que uma usina nuclear se mantenha produtiva 24 horas por dia (o que não acontece com as usinas eólicas e solares). O plutônio, por exemplo, é muito mais útil para bombas atômicas do que para usinas de geração de eletricidade, porque seu ciclo de fissão, e os subprodutos que ele gera, são muito menos controláveis.