Funcionamento de uma Usina Nuclear

As usinas nucleares usam o conceito de fissão nuclear para produzir energia. É uma fonte de energia limpa. A energia térmica liberada em processos de fissão nuclear pode ser utilizada na geração de vapor para produzir energia mecânica que, por sua vez, será convertida em energia elétrica. Abaixo está representado um esquema básico de uma usina de energia nuclear:

A energia nuclear está na força que mantém os componentes dos átomos unidos (prótons, elétrons e nêutrons). Quando estes componentes são separados, há uma grande quantidade de energia liberada, que pode ser calculada pela equação de Einstein: E = mc² , onde E é a energia liberada, m a massa total dos átomos participantes da reação, e c a velocidade da luz. Logo nota-se que a energia resultante é muito grande.

As aplicações nucleares só são possíveis por causa das quantidades de energia liberadas por esses processos. Na fissão do urânio, representada em (a), O núcleo se quebra em outros, de menor massa. Na fusão de H, representada em (b), a massa do átomo de Hélio é menor do que a soma das partículas separadas.

Assim, essa diferença nas massas é o que é responsável pela liberação de energia, E = Δmc², onde c é a velocidade da luz. A energia liberada é proporcional à variação de massa entre produtos e reagentes.

Por isso, são as reações de fissão utilizadas nos reatores nucleares. Usualmente, são utilizados átomos de Urânio-235, na forma de Óxido de Urânio (U₃O₈). Como a reação começa com um nêutron, e produz vários nêutrons, ela se retroalimenta quando os nêutrons colidem com outros átomos de Urânio – e se torna uma reação em cadeia.

Dentro do Reator Nuclear, centenas de varetas contendo material radioativo são fissionadas, liberando muito calor. Este calor irá aquecer a água (totalmente pura) que fica dentro do reator. Ela pode chegar á incríveis 1500°C a uma pressão de 157atm. Essa água quente irá seguir por tubos, até o vaporizador, depois volta ao reator, completando o circuito primário.

No vaporizador, uma outra quantidade de água será fervida, pelo calor de tubos onde passam a água extremamente quente do reator. O vapor gerado sairá por canos, até onde ficam localizadas as turbinas e o gerador elétrico. O vapor d’água pode girar as pás das turbinas a grandes velocidades, produzindo corrente elétrica. Depois que o vapor executar sua função, ele segue para o condensador, onde vai virar água novamente e retornar ao vaporizador. Este é o chamado circuito secundário.

Para que o condensador transforme o vapor do circuito secundário em água, é necessário que ele seja abastecido de água fria. Essa água fria pode vir de rios e lagos próximos. Ao passar pelo condensador, esta água fica quente, necessitando ser resfriada nas torres de resfriamento (a maior parte de uma usina nuclear). Este é o circuito terciário (ou sistema de água de refrigeração).

<https://www.nrc.gov/reading-rm/doc-collections/fact-sheets/3mile-isle.html>

Assim, essa reação em cadeia é controlada pelas Hastes de Controle. Toda energia liberada é utilizada para aquecer água pressurizada, que se torna vapor e pode girar uma turbina, gerando energia por indução eletromagnética.

Geração de energia elétrica a partir da Fissão Nuclear do Urânio-235

Vários países utilizam a energia nuclear para geração de energia elétrica, existem, aproximadamente, 440 usinas nucleares em funcionamento no mundo. Alguns países se destacam na produção de energia elétrica através de usinas nucleares, atualmente os Estados Unidos lideram a produção de energia nuclear, no entanto, os países mais dependentes da energia nuclear para geração de energia elétrica são: França (80%), Suécia (60%), Finlândia (50%) e Bélgica (50%).

O Programa Nuclear Brasileiro não se desenvolveu da forma planejada em razão dos problemas ligados à falta de aproveitamento de energia e de mão de obra qualificada na área de aproveitamento de energia nuclear. Outro fator que contribuiu para o fracasso do programa foram os elevados custos de sua instalação e operação das usinas nucleares, cerca de três vezes maiores que os de uma usina hidrelétrica equivalente.

Angra 1 começou a funcionar em 1981, mas foi paralisada em seguida por problemas técnicos. Somente no fim de 1983 seu funcionamento foi retomado em forma de testes e a usina ainda não entrou em operação permanente com capacidade total.

As usinas Angra 2 e Angra 3, deveriam funcionar a partir de 1983 e 1984, mas Angra 2 só entrou em funcionamento em 2000, e Angra 3 até hoje não funciona.

Aspectos positivos da energia nuclear:

- As reservas de energia nuclear são muito maiores que as reservas de combustíveis fósseis;

- Comparada às usinas de combustíveis fósseis, a usina nuclear requer menores áreas;

- As usinas nucleares possibilitam maior independência energética para os países importadores de petróleo e gás;
- Não contribui para o efeito estufa.

Aspectos negativos:

- Os custos de construção e operação das usinas são muito altos, a construção e operação de usinas nucleares apresentam valores extremamente elevados, cerca de três vezes maiores que os de uma usina hidrelétrica.

- Possibilidade de construção de armas nucleares, a energia nuclear é uma grande fonte de conflito entre os países, pois existe a possibilidade real da produção de armas nucleares, fato que gera uma série de discussões internacionais.

- Destinação do lixo atômico;

- Acidentes que resultam em liberação de material radioativo;

- O plutônio 239 leva 24.000 anos para ter sua radioatividade reduzida à metade e cerca de 50.000 anos para tornar-se inócuo.

Atividades:

1) Julgue cada afirmativa como verdadeira (V) ou falsa (F):

a) Para que energia nuclear seja obtida é necessário realizar a fissão do núcleo do átomo de urânio enriquecido, que, por sua vez, libera uma grande quantidade de energia. ( )

b) A energia nuclear mantém unidas as partículas do núcleo de um átomo, a divisão desse núcleo em duas partes provoca a liberação de grande quantidade de energia. ( )

2) O elemento químico utilizado para a obtenção de energia nuclear é:

(A) Urânio

(B) Césio

(D) Tório

3) O estado do Rio de Janeiro possui uma usina nuclear em atividade, a Angra I. Essa usina tem como objetivo a produção de uma quantidade considerável de energia a partir do processo de fissão nuclear, no qual núcleos de alguns isótopos radioativos são bombardeados por nêutrons. Os isótopos mais comuns utilizados no processo de fissão nuclear são o Urânio e o Plutônio, representados abaixo:

₉₂U²³⁵ e ₉₄Pu²³⁹

Um isótopo radioativo sofre o fenômeno da fissão nuclear quando, por meio de uma reação em cadeia, forma:

(A) dois ou mais núcleos atômicos menores.

(B) um único núcleo atômico menor.

(D) um único núcleo atômico maior.

4) Entre as vantagens da energia nuclear, que compensam os perigos de possíveis acidentes, destacam-se:

(A) o fato de ser renovável, não causar grandes impactos ambientais, como as hidrelétricas, e não ser fonte de conflitos entre países, pois não é uma fonte finita.

(B) a presença, na geração de energia, tanto de capitais privados como estatais, pois as usinas nucleares são investimentos de baixo custo e retorno rápido.

(C) o combustível (urânio enriquecido) é relativamente barato, a geração de resíduos é pequena e não há geração de gases que intensificam o efeito estufa.

(D) a abundância do combustível (urânio) em todo o mundo, o baixo custo de implantação de usinas nucleares e a tecnologia acessível aos países pobres.

(E) o controle internacional sobre a geração de energia nuclear e a legislação ambiental rígida, que restringem a construção de usinas pelos países que não seguem as normas.

5) (ENEM-2006) O funcionamento de uma usina nucleoelétrica típica baseia-se na liberação de energia resultante da divisão do núcleo de urânio em núcleos de menor massa, processo conhecido como fissão nuclear. Nesse processo, utiliza-se uma mistura de diferentes átomos de urânio, de forma a proporcionar uma concentração de apenas 4% de material físsil. Em bombas atômicas, são utilizadas concentrações acima de 20% de urânio físsil, cuja obtenção é trabalhosa, pois, na natureza, predomina o urânio não físsil. Em grande parte do armamento nuclear hoje existente, utiliza-se, então, como alternativa, o plutônio, material físsil produzido por reações nucleares no interior do reator das usinas nucleoelétricas. Considerando-se essas informações, é correto afirmar que:

(A) a disponibilidade do urânio na natureza está ameaçada devido à sua utilização em armasnucleares.

(B) a proibição de se instalarem novas usinas nucleoelétricas não causará impacto na ofertamundial de energia.

(D) a obtenção de grandes concentrações de urânio físsil é viabilizada em usinas nucleoelétricas.

(E) a baixa concentração de urânio físsil em usinas nucleoelétricas impossibilita o desenvolvimento energético.

6) (ENEM-2014) O debate em torno do uso da energia nuclear para produção de eletricidade permanece atual. Em um encontro internacional para a discussão desse tema, foram colocados os seguintes argumentos:

I. Uma grande vantagem das usinas nucleares é o fato de não contribuírem para o aumento do efeito estufa, uma vez que o urânio, utilizado como “combustível”, não é queimado, mas sofre fissão.

II. Ainda que sejam raros os acidentes com usinas nucleares, seus efeitos podem ser tão graves que essa alternativa de geração de eletricidade não nos permite ficar tranquilos.

A respeito desses argumentos, pode-se afirmar que:

(A) o primeiro é válido e o segundo não é, já que nunca ocorreram acidentes com usinas nucleares.

(B) o segundo é válido e o primeiro não é, pois de fato há queima de combustível na geração nuclear de eletricidade.
(C) o segundo é válido e o primeiro é irrelevante, pois nenhuma forma de gerar eletricidade produz gases do efeito estufa.

(D) ambos são válidos para se compararem vantagens e riscos na opção por essa forma de geração de energia.

(E) ambos são irrelevantes, pois a opção pela energia nuclear está-se tornando uma necessidade inquestionável.

7) Sabe-se que a energia do estado fundamental do átomo de Urânio é igual a 179,4 MeV. Baseando-se nos seus conhecimentos sobre o modelo atômico, é possível afirmar que:

(A) Fornecendo-se uma energia maior que 179,4 MeV ao átomo de Urânio no seu estado fundamental, ele não será ionizado, ou seja, não terá seu elétron removido .

(B) Fornecendo-se uma energia igual a 179,4 MeV ao átomo de Urânio no seu estado fundamental, ele ioniza-se, ou seja, tem seu elétron removido.

(C) É impossível remover o elétron do átomo de Urânio no estado fundamental a uma distância muito grande do núcleo atômico.

(D) Na reação nuclear chamada fissão, um núcleo pesado se combina com um nêutron e se separa em dois outros núcleos mais leves e o Urânio tem energia liberada é de aproximadamente 179,4 MeV (milhões de eletron-volt).