Como uma usina nuclear funciona?

 Durante a Segunda Guerra Mundial, cientistas abriram o núcleo no centro do átomo de urânio e transformaram essa massa em energia várias vezes. Fizeram isso criando pela primeira vez uma reação em cadeia dentro de uma nova maravilha da engenharia: um reator nuclear.

 Desde então, a habilidade de extrair grandes quantidades de energia de núcleos de urânio levou alguns a considerar a energia nuclear como uma fonte abundante e utópica de eletricidade.

 A partir de um quilo de combustível, um reator nuclear moderno gera eletricidade suficiente para abastecer uma residência média por aproximadamente 34 anos. Mas em vez de dominar o mercado global de eletricidade, o uso de energia nuclear caiu de um total de 18% em 1996 para 11% em 2015 e é esperado que caia ainda mais nas próximas décadas.  O que ocorreu com a grande promessa que era essa tecnologia?

 Acontece que a energia nuclear se depara com diversas barreiras, incluindo altos custos de construção e oposição pública. Por trás desses problemas existe uma série de desafios únicos de engenharia.

 A energia nuclear baseia-se na fissão de núcleos de urânio e de uma reação em cadeia controlada que produz essa fissão em diversos núcleos. O núcleo atômico é composto de vários prótons e nêutrons unidos por uma poderosa força nuclear. A maioria dos átomos de urânio possuem um total de 238 prótons e nêutrons (92 prótons e 146 nêutrons), mas em um a cada 140 faltam 3 nêutrons, e esse isótopo mais leve é menos propenso a ficar unido. Quando comparado, um bombardeio por um nêutron quebra facilmente o núcleo de U-235 em elementos radioativos leves chamados produtos de fissão, além de dois ou três nêutrons, raios gama, e alguns neutrinos.

 Durante a fissão, parte da massa nuclear se transforma em energia. Uma fração da energia recém-encontrada impulsiona os nêutrons em movimento e se alguns deles atingirem os núcleos de urânio, a fissão resulta em uma segunda e maior geração de nêutrons. Se essa segunda geração de nêutrons atingir mais núcleos de urânio, a fissão resulta em uma terceira e ainda maior geração, e assim por diante. Mas, dentro de um reator nuclear, a reação em cadeia espiral é controlada usando-se barras feitas de elementos que capturam nêutrons extras deixando a quantidade controlada. Com uma reação em cadeia controlada, o reator extrai energia continuamente e de maneira estável por anos.

 A reação em cadeia induzida por nêutrons é um processo potente da energia nuclear, mas há um porém que pode resultar em demandas únicas na produção do combustível. Ocorre que a maioria dos nêutrons gerados na fissão possui muita energia cinética para ser capturada pelos núcleos de urânio. A taxa de fissão é muito baixa e a reação em cadeia perde força. O primeiro reator nuclear construído em Chicago usava grafite como moderador para dispersar e desacelerar os nêutrons o suficiente para aumentar sua captura pelo urânio e melhorar a taxa de fissão. Reatores modernos comumente usam água purificada como moderador, porém os nêutrons desacelerados ainda são rápidos. Para compensar e manter a reação em cadeia a concentração de U-235 é enriquecida de quatro a sete vezes sua abundância natural.

 Apenas uma fração da energia de fissão liberada chega a acelerar os nêutrons. A maioria do poder nuclear vai para a energia cinética dos produtos da fissão. Essas são capturadas dentro do reator como calor por um líquido refrigerante, comumente, água purificada. Por fim o calor é usado para impulsionar um gerador de turbina elétrica por vapor fora do reator. O fluxo de água é critico não apenas para criar eletricidade, mas também prevenir o mais temido tipo de acidente com reator: a fusão.

 Se o fluxo de água para por causa de um cano que quebrou, ou a falha das bombas que o impulsionam, o urânio esquenta muito rapidamente e derrete. Durante a fusão nuclear, vapores radioativos escapam para o reator, e se o reator falha em contê-los, um edifício de ferro e concreto, é a última linha de defesa. Porém, se a pressão do gás radioativo é muito alta, a contenção falha e os gases escapam para o ar, espalhando-se tão longe até onde o vento possa levar. Os produtos da fissão radioativa nesses vapores finalmente se decompõem em elementos estáveis. Enquanto alguns se decompõem em poucos segundos, outros levam centenas de milhares de anos. O maior desafio para um reator nuclear é conter esses produtos de maneira segura e evitar que eles prejudiquem os humanos ou o meio ambiente. A contenção não deixa de ser importante quando o combustível já foi consumido. Na realidade, ela torna-se um problema de armazenamento ainda maior. A cada um ou dois anos, os combustíveis irradiados são retirados dos reatores e armazenados em piscinas de água que esfriam o resíduo e bloqueam as emissões radioativas.