O combustível nuclear usado é óxido de urânio, enriquecido em Urânio-235, na forma de pastilhas sólidas, empilhadas dentro de varetas de zircónio.

Transcrição

1 O que é uma central nuclear? É uma central de produção de energia eléctrica que difere de uma central convencional por o calor, necessário à produção de vapor de água que acciona as turbinas gerando corrente eléctrica, resultar da fissão de núcleos e não da combustão de combustíveis fósseis. O Urânio natural contem átomos de Urânio-238 e Urânio-235, cujos núcleos se partem libertando energia (fissão nuclear) quando são embatidos por partículas sem carga eléctrica, chamadas neutrões, e que também fazem parte do interior dos núcleos atómicos. Para a fissão do Urânio-235 occorrer com uma probabilidade razoável, é necessário um moderador que diminui a velocidade com que os neutrões colidem nos núcleos de urânio, pois a probabilidade de fissão, que é um processo quântico e por isso estatístico, é maior para neutrões lentos (que se designam por neutrões térmicos). A água normal e a água pesada são bons moderadores de neutrões. O combustível nuclear usado é óxido de urânio, enriquecido em Urânio-235, na forma de pastilhas sólidas, empilhadas dentro de varetas de zircónio. Os elementos constituintes de um reactor nuclear são: Core : Combustível + Moderador Reflector : Envolvente do Core, reflectindo neutrões para o interior do core. Cuba: Confinamento do Core Estrutura de Blindagem Refrigerante: retira o calor do Core Sistema de operação: Controla a potência por actuação de barras absorvedoras de neutrões, que impedem, com uma certa probabilidade, os neutrões de serem absorvidos no combustível. A interposição máxima destas barras bloqueia o reactor. O calor produzido gera vapor no circuito secundário, que faz mover as turbinas, e que é arrefecido nas torres de arrefecimento.

2 Para que serve o Refrigerante num reactor nuclear? O líquido de refrigeração transfere o calor libertado nas reacções de fissão para um circuito secundário onde é produzido vapor. Em situações de acidente se essa transferência de calor for interrompida, é possível que se verifique a fusão de parte do núcleo. Note-se que a fusão do núcleo não significa que se verifique uma explosão nuclear, mas sim que o urânio do combustível forma uma liga com outros metais usados no combustível, cujo controlo e arrefecimento podem ser mais difíceis. O refrigerante mais comum é a água, mas também pode ser ar, dióxido de carbono, hélio, ou sódio líquido, por exemplo. O moderador, o combustível nuclear e os fragmentos da fissão podem passar para fora da central? Em caso de ruptura do núcleo pode haver libertação de produtos de fissão para a água do circuito primário, mas, desde que se mantenham as barreiras de protecção, não há libertações significativas para o exterior. Em cenários de acidente tem que se considerar que pode haver quebras de barreiras: o edifício tem que funcionar como última barreira para manter quaisquer produtos radioactivos no interior. A água do circuito secundário, onde se dá a formação de vapor, nunca entra em contacto com a do primário. Todas as trocas de calor se processam em permutadores de calor, que na maior parte dos reactores se designam geradores de vapor. Assim, a água do circuito secundário nunca deverá conter produtos radioactivos. O que é a fissão nuclear? Os núcleo de átomos mais pesados que o ferro libertam energia ao partir-se (fissão nuclear) enquanto os núcleos de átomos leves libertam essa energia ao formar-se a partir de outros núcleons ainda mais leves (fusão nuclear). Como as forças nucleares são muito mais fortes que as atómicas e moleculares, as quantidades de energia libertadas pelas reacções nucleares são consideravelmente superiores às das transformações químicas. Na fissão de Urânio-235 produzem-se 200 milhões de electrões-volt, isto é, 50 milhões de vezes a energia libertada na formação de uma molécula de CO 2. Deste modo, 18 toneladas de carvão dão o mesmo calor que a fissão de 1kg de Urânio natural. Como se forma Césio e Iodo no reactor nuclear? A fissão nuclear do Urânio-235 é um processo estatístico regido pelas leis da Mecânica Quântica. Os diferentes fragmentos são produzidos com probabilidades diferentes. A distribuição de probabilidade segue a figura junta, tendo um mínimo quando os fragmentos são iguais, e um dos máximos para o fragmento Césio-137.

3 O Césio-137 é perigoso porque tem uma vida média da ordem de 30 anos, e também porque nos organismos vivos pode mimetizar o potássio, sendo facilmente absorvido e concentrando-se no ambiente por via da cadeia alimentar. O Césio-137 transforma-se por emissão radioactiva. Da fissão do Urânio-235 resultam, em cadeia, vários elementos, entre os quais o Xénon e o Bário por exemplo. O iodo-131 ( 8 dias de meia vida), o Xenon e outros gases raros, por serem voláteis, são elementos que se libertam com facilidade do reactor, em caso de falha da barreira de construção que envolve o core. A administração de iodo não radioactivo é preventiva dos efeitos da radiação, dado a saturação da tiróide com iodo não radioactivo impedir a absorção do iodo radioactivo. Porque é que pode ocorrer uma explosão de hidrogénio numa Central nuclear? O hidrogénio resulta de uma reacção química, e não de uma reacção nuclear. Esta reacção ocorre no caso de sobreaquecimento do núcleo em que as temperaturas são elevadas. Nesta situação a água do moderador reage quimicamente em reacção de oxidação com o zircónio das varetas de combustível, com libertação de hidrogénio. Por fim o hidrogénio entra em combustão na presença de oxigénio. O risco de explosão pode ser minorado reduzindo a presença de oxigénio, isto é, se o hidrogénio for libertado numa atmosfera inerte. Em situação normal, sem cenário de acidente, há libertação radioactiva para o ambiente? Em situação normal são libertadas pequenas quantidades de isótopos radioactivos, principalmente produzidos por reacções nucleares com os materiais de moderação e de refrigeração. A maior parte destes isótopos radioactivos têm uma meia vida muito curta, entre segundos a horas. Qual é dose colectiva efectiva causada num ciclo de combustível nuclear? A interacção da radiação no corpo humano é quantificada pelo conceito de dose, na unidade chamada Sv (Sievert). A tabela seguinte compila efeitos de radiações naturais expressos na milionésima parte dessa unidade (msv).

4 Exposição média a fontes de radiação natural (Fonte United Nations Scientific Committee on the effects of Atomic Radiation,UNSCEAR 2000, UN New York) in A Radioactividade Ambiente, Mário João Reis, Gazeta de Física, Vol 30. A tabela seguinte mostra doses colectivas ligadas ao ciclo de combustível nuclear, sendo mansv a unidade de dose colectiva (soma de doses individuais). Parte do ciclo Extracção e tratamento minério Dose colectiva efectiva normalizada (mansv/gwatt/ano) População local e regional Produção de electricidade Reprocessamento População mundial in Cooper, Radioactive Releases in the Environment, Wiley, Outros números ilustrativos:

5 0.05/Sv é o coeficiente de risco por morte devido a cancro por exposição, significando que num grupo de 1000 pessoas expostas a 0.1Sv, podem ocorrer 5 mortes por cancro. 50 msv por ano é a dose máxima permitida para quem trabalha com radiações na Europa, não podendo exceder 100mSv em cinco anos consecutivos. Numa tomografia computadorizada ao craneo a dose recebida é 4mSv. Teresa Peña Professora Associada com Agregação do Departamento de Física, IST e Investigadora do Centro de Física Teórica de Partículas, IST 14 de Março de 2011