Massa crítica: a usina nuclear em funcionamento

Depois do reator há pouca diferença entre uma usina de energia nuclear e uma usina de energia a carvão ou óleo, exceto pela fonte do calor usada para criar o vapor.

Este gerador na usina Shearon Harris produz 870 megawatts, eletricidade usada em residências e empresas

Tubos transportam vapor para abastecer o gerador na usina de energia

O recipiente de pressão do reator é normalmente alojado dentro de um revestimento de concreto que atua como um escudo contra radiação. Esse revestimento é alojado dentro de um recipiente de contenção de aço muito maior. Esse recipiente contém o núcleo do reator, bem como o maquinário (guindastes, etc.) que permite que os trabalhadores na usina reabasteçam e mantenham o reator. O recipiente de contenção de aço tem o objetivo de evitar o vazamento de gases ou fluidos radioativos da usina.

Finalmente, o recipiente de contenção é protegido por um edifício de concreto externo que é forte o suficiente para sobreviver a coisas como a queda de aeronaves. Essas estruturas de contenção secundárias são necessárias para evitar a saída de radiação/vapor radioativo no caso de um acidente como o da Three Mile Island (em inglês). A ausência de estruturas de contenção secundárias em usinas de energia nuclear russas permitiu que material radioativo escapasse no acidente em Chernobyl (em inglês).

O vapor sobe da torre de refrigeração na usina Harris

Trabalhadores na sala de controle na usina de energia nuclear podem ficar de olho no reator nuclear e tomar alguma iniciativa se algo sair errado

O urânio-235 não é o único combustível possível para uma usina de energia. Outro material fissionável é o plutônio-239, que pode ser criado facilmente bombardeando-se o U-238 com nêutrons - algo que acontece o tempo todo em um reator nuclear.

Subcriticalidade, criticalidade e supercriticalidade
Quando um átomo de U-235 se divide, desprende 2 ou 3 nêutrons (dependendo do modo como o átomo se divide). Se não houver outros átomos de U-235 na área, então esses nêutrons livres voam para o espaço como raios de nêutrons. Se o átomo U-235 é parte de uma massa de urânio - então há outros átomos de U-235 próximos - então acontece uma destas 3 coisas:

• se, na média, exatamente um dos nêutrons livres de cada fissão atingir outro núcleo de U-235 e fizer com que se divida, então a massa de urânio é considerada crítica. A massa existirá em uma temperatura estável. Um reator nuclear deve ser mantido em estado crítico;
• se, em média, menos de um dos nêutrons livres atingir outro átomo de U-235, então a massa é subcrítica. Eventualmente, a fissão induzida terminará na massa;
• se, em média, mais de um dos nêutrons livres atingir outro átomo de U-235, então a massa é supercrítica. Ele se aquecerá.

Para uma bomba nuclear, o projetista da bomba quer que a massa de urânio seja muito supercrítica, de modo que todos os átomos de U-235 na massa se dividam em um microssegundo. Em um reator nuclear, o núcleo do reator precisa ser levemente supercrítico, de modo que os operadores da usina possam elevar e abaixar a temperatura do reator. As hastes de controle dão aos operadores um modo de absorver nêutrons livres de forma que o reator possa ser mantido em um nível crítico.

A quantidade de urânio-235 na massa (o nível de enriquecimento) e o formato da massa controlam a criticalidade da amostra. Você pode imaginar que se a forma da massa for uma folha muito fina, a maioria dos nêutrons livres voará para o espaço em vez de atingir outros átomos de U-235. Uma esfera é o formato ótimo. A quantidade de urânio-235 que se deve juntar em uma esfera para obter uma reação crítica é de cerca de 900 gramas. A quantidade portanto é mencionada como massa crítica. Para o plutônio-239, a massa crítica é de cerca de 283 gramas.

O que pode sair errado
Usinas de energia nuclear bem construídas têm uma importante vantagem no que se refere à geração de energia elétrica - são extremamente limpas. Comparadas com uma usina de energia a carvão, as usinas de energia nuclear são um sonho que se torna realidade de um ponto de vista ambiental. Uma usina de energia a carvão na verdade libera mais radioatividade na atmosfera que uma usina de energia nuclear funcionando adequadamente. As usinas a carvão também liberam toneladas de carbono, enxofre e outros elementos para a atmosfera (consulte esta página para mais detalhes).

Infelizmente, há problemas significativos com usinas de energia nuclear:

• extrair e purificar urânio não tem sido, historicamente, um processo muito limpo;
• usinas de energia nuclear funcionando inadequadamente podem criar grandes problemas. O desastre de Chernobyl (em inglês) é um bom exemplo. Chernobyl foi inadequadamente projetada e impropriamente operada, mas mostra dramaticamente o cenário do pior caso. Chernobyl espalhou toneladas de poeira radioativa na atmosfera;
• o combustível gasto nas usinas de energia nuclear é tóxico por séculos e, ainda, não há instalação de armazenamento permanente e segura para ele;
• o transporte de combustível nuclear para e das usinas apresenta algum risco, embora até hoje, o registro de segurança nos Estados Unidos tenha sido bom.

Esses problemas suprimiram grandemente a criação de novas usinas de energia nuclear nos Estados Unidos. A sociedade parece ter decidido que os riscos sobrepujam as recompensas.

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