Estrutura de um Reator Nuclear

Encontrei no site da Dra. Shirley de Campos uma postagem sobre o que é um Reator Nuclear, com explicações bastante simples e de fácil compreensão.

Abaixo, o conteúdo adaptado para o caso da Usina Nuclear Daiichi de Fukushima.

De uma forma simplificada, um Reator Nuclear é um equipamento onde se processa uma reação de fissão nuclear, assim como um reator químico é um equipamento onde se processa uma reação química. Um Reator Nuclear para gerar energia elétrica é, na verdade, uma Central Térmica, onde a fonte de calor é o urânio-235, em vez de óleo combustível ou de carvão. É, portanto, uma Central Térmica Nuclear.

A grande vantagem de uma Central Térmica Nuclear é a enorme quantidade de energia que pode ser gerada, ou seja, a potência gerada, para pouco material usado (o urânio).

Volume de material combustível necessário para gerar a mesma quantidade de energia:
 (Urânio 235 = 10gr; Oleo = 700kg; Carvão = 1.200KG)

• O Combustível Nuclear

O urânio-235, por analogia, é chamado de combustível nuclear, porque pode substituir o óleo ou o carvão, para gerar calor. Não há diferença entre a energia gerada por uma fonte convencional (hidroelétrica ou térmica) e a energia elétrica gerada por um Reator Nuclear.

• O Reator Nuclear de Fukushima

Os Reatores da Usina Nuclear de Fukushima são do tipo BWR (reatores de água em ebulição, na sigla em inglês) que utilizam o Combustível de dióxido de urânio(UO2), exceto no Reator No 3 que é Plu-thermal*, onde se utiliza o Combustível MOX (abreviatura de Óxido Misto).

O Combustível MOX  é  um resultante da mistura do Urânio 238 com o Plutônio. O Plutônio** por sua vez, é obtido através de reprocessamento do combustível irradiado, onde é encontrado numa proporção de cerca de 1% do combustível irradiado, que posteriormente é misturado com o Óxido de Plutônio (PuO2) e o Óxido de Urânio (UO2). O Combustível MOX utilizado no Plu-thermal tem enriquecimento do plutônio de 4 a 9 %. 
O Plutônio enriquecido de 4 a 9% ou o Urânio 235 enriquecido de 2 a 4%, em forma de pastilhas cerâmica de 1 cm de diâmetro e comprimento, é colocado, dentro de tubos ("varetas") de 4m de comprimento, feitos de uma liga especial de zircônio, denominada "zircalloy".

*Plu-thermal é uma palavra Wasei-eigo que aprarentemente é inglês, mas foi criada no Japão, na combinação das palavras Plutônio e Thermal neutron reactor (Reator de nêutrons térmicos) . (Wasei-eigo=inglês criado no Japão)

** Plutônio - De forma artificial, o plutônio-239 é produzido em reatores nucleares por sucessivos decaimentos beta pelo U-239 e Np-239.

O Pu-238 utilizado em geradores termoelétricos de radioisótopos, foi o primeiro a ser sintetizado, ele é criado quando o urânio-238 é bombardeado por um deuterio produzindo netunio(intermediário) e depois Pu-238.

                                                    Estrutura de um Reator Nuclear

• Varetas de Combustível

As varetas, contendo o urânio, conhecidas como Varetas de Combustível, são montadas em feixes, numa estrutura denominada ELEMENTO COMBUSTÍVEL. As varetas são fechadas, com o objetivo de não deixar escapar o material nelas contido (o urânio e os elementos resultantes da fissão) e podem suportar altas temperaturas. Os elementos resultantes da fissão nuclear (produtos de fissão ou fragmentos da fissão) são radioativos, isto é, emitem radiações e, por isso, devem ficar retidos no interior do Reator. A Vareta de Combustível é a primeira barreira que serve para impedir a saída de material radioativo para o meio ambiente.

• Barras de Controle

Na estrutura do Elemento Combustível existem tubos guias, por onde podem passar as Barras de Controle, geralmente feitas de cádmio, material que absorve nêutrons, com o objetivo de controlar a reação de fissão nuclear em cadeia. Quando as barras de controle estão totalmente para fora, o Reator está trabalhando no máximo de sua capacidade de gerar energia térmica. Quando elas estão totalmente dentro da estrutura do Elemento Combustível, o Reator está "parado" (não há reação de fissão em cadeia).

No caso de Fukushima a estrutura do Reator No 2 é composta de 3 camadas, a parede mais interna é feita de aço forjado e tem 3 cm de espessura, a segunda camada são paredes de concreto armado com 200cm de espessura, e por último, a de externa feita com concreto armado numa espessura de 100cm.

• Vaso de Pressão

Os Elementos Combustíveis são colocados dentro de um grande vaso de aço, no caso de Fukushima, “parede” de aço forjado com espessura de 16cm. Esse enorme recipiente, denominado Vaso de Pressão do Reator, é montado sobre uma estrutura de concreto, com cerca de 8 m de espessura na base. O Vaso de Pressão do Reator é a segunda barreira física que serve para impedir a saída de material radioativo para o meio ambiente.

Circuito Primário

O Vaso de Pressão contém a água de refrigeração do núcleo do reator (os elementos combustíveis). Essa água fica circulando quente pelo Gerador de Vapor, em circuito, isto é, não sai desse Sistema, chamado de Circuito Primário. A água que circula no Circuito Primário é usada para aquecer uma outra corrente de água, que passa pelo Gerador de Vapor.

Circuito Secundário

A outra corrente de água, que passa pelo Gerador de Vapor para ser aquecida e transformada em vapor, passa também pela turbina, em forma de vapor, acionando-a. É, a seguir, condensada e bombeada de volta para o Gerador de Vapor, constituindo um outro Sistema de Refrigeração, independente do primeiro. O sistema de geração de vapor é chamado de Circuito Secundário.

Independência entre os sistemas de refrigeração
A independência entre o Circuito Primário e o Circuito Secundário tem o objetivo de evitar que, danificando-se uma ou mais varetas, o material radioativo (urânio e produtos de fissão) passe para o Circuito Secundário. É interessante mencionar que a própria água do Circuito Primário é radioativa.

• A Contenção

No caso de Fukushima a estrutura do Reator No 2 é de 3 camadas, sendo que, o Vaso de Pressão do Reator e o Gerador de Vapor são instalados em uma grande "carcaça" ou envoltório de aço forjado, com 3 cm de espessura. Esse envoltório, construído para manter contidos os gases ou vapores possíveis de serem liberados durante a operação do Reator, é denominado Contenção. No caso de Fukushima, a Contenção tem a forma de um tubo (cilindro). A Contenção é a terceira barreira que serve para impedir a saída de material radioativo para o meio ambiente.

• Edifício do Reator

Um último envoltório, de concreto, revestindo a Contenção, é o próprio Edifício do Reator. Tem cerca de 1ooc m de espessura. O Edifício do Reator, construído em concreto e envolvendo a Contenção de aço, é a quarta barreira física que serve para impedir a saída de material radioativo para o meio ambiente e, além disso, protege contra impactos externos.

Infelizmente, no caso da Usina Nuclear Daiichi de Fukushima, não suportou os impactos externos do Grande Terremoto no Leste do Japão, do dia 11 de março de 2011, que foi numa magnitude de 9.0 graus na escala Richter...

Ainda hoje, continuam as tentativas de reter o vazamento de material radioativo, que foi reduzido mas não resolvido. E continuam as tentativas para minimizar as possíveis complicações que poderão ocorrer, com a ajuda de equipes de especialistas vindos do exterior.