FUSÃO NUCLEAR O que é a Energia Nuclear? Cisão Nuclear ...

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O que é a Energia Nuclear?
FUSÃO NUCLEAR
Dá-se o nome genérico de energia nuclear a toda a energia associada às
modificações da constituição do núcleo de um átomo. Esta energia pode ser
libertada durante um processo de desintegração radioactiva ou libertada ou
absorvida em consequência de uma reacção nuclear.
A energia libertada ( E) está relacionada com a redução da massa dos reagentes
( m ) através do Princípio da Equivalência Massa-Energia de Einstein, segundo o
qual:
E = mc 2
em que c representa a velocidade da luz no vácuo.
A energia nuclear tem, fundamentalmente, três vantagens principais:
- a operação normal de um reactor nuclear não conduz à libertação de gases
poluentes para a atmosfera;
- existem jazidas de combustíveis que permitem a operação das centrais nucleares
durante muitos anos;
- é uma energia de baixo custo.
Para chegar à conclusão de quais as formas de produção da energia nuclear deve
realizar-se a análise da variação da energia de ligação por núcleo com o número de
massa. Esta análise permite inferir que a energia nuclear pode ser produzida
através quer da cisão de núcleos pesados (fissão), quer da fusão de núcleos leves.
Cisão Nuclear - caracterização
A descoberta da cisão nuclear foi anunciada por L. Meitner no início do ano de
1939.
A cisão (fissão) nuclear é o processo de geração de energia através da
desintegração de um átomo de um elemento pesado.
O processo de cisão (ou fissão) nuclear é o utilizado actualmente nas centrais
nucleares. Quando um átomo pesado (como por exemplo o urânio ou o plutónio) se
divide em dois átomos mais leves, a soma das massas destes últimos átomos
obtidos, juntamente com a dos neutrões libertados, é menor que a massa do átomo
original, logo, verifica-se a fórmula de Albert Einstein E= mc 2 , ou seja, liberta-se
energia.
Para desintegrar um átomo, emprega-se um neutrão
(uma vez que é electricamente neutro e não se desvia
da sua trajectória) que se lança contra o átomo que
se pretende dividir, por exemplo, urânio. Ao chocar
com o neutrão, o átomo de urânio-235 converte-se
em urânio-236 durante um brevíssimo espaço de
tempo, pois possui então mais um neutrão. Este
"breve" átomo é muito instável, dividindo-se em dois átomos diferentes e mais
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ligeiros que o urânio-236 (por exemplo: crípton e bário; ou xénon e estrôncio),
libertando dois ou três neutrões e também energia. Estes três neutrões voltam a
colidir com outros três átomos de urânio-235, libertando no total nove neutrões,
energia e outros dois átomos mais ligeiros e assim sucessivamente, gerando desta
forma uma reacção em cadeia.
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Fusão Nuclear - caracterização
Fusão nuclear é a união de núcleos pequenos formando núcleos maiores, durante a
formação dos quais se liberta uma quantidade muito grande de energia.
A fusão nuclear é o processo energético que alimenta as estrelas (como o Sol) e
que consiste na fusão dos núcleos de dois átomos leves, por exemplo o deutério e o
trítio, dois isótopos do hidrogénio.
Ou seja, as reacções de fusão ocorrem quando os núcleos dos átomos têm
velocidade suficiente para ultrapassar as forças repulsivas entre as cargas eléctricas
que os constituem.
O deutério pode ser extraído da água (em média, existem 30 g por metro cúbico).
O trítio, um isótopo radioactivo, existe em quantidades muito reduzidas no nossos
planeta, mas pode ser obtido a partir do lítio, um metal leve que abunda na crosta
terrestre.
Para que ocorra fusão nuclear é necessária uma temperatura muito elevada, pelo
menos na ordem de 100 milhões de graus Celsius.
Esta temperatura é uma das condições indispensáveis à ocorrência de fusão; as
outras são a densidade da matéria em questão e um tempo de confinamento (de
alguns segundos na fusão por confinamento magnético e de nanossegundos na
fusão por confinamento inercial).
Na base da investigação em Fusão Nuclear está o conhecimento adquirido através
de uma das áreas de investigação da Física designada Física de Plasmas. O
desenvolvimento da Física de Plasmas começou na década de 20 do século XX, num
esforço para compreender a fonte de energia das estrelas.
Os investigadores nesta área descobriram que quando um gás é fortemente
aquecido os seus electrões ficam completamente separados dos núcleos atómicos
(formando iões).
Este gás ionizado, bom condutor de electricidade, é designado por “plasma”. Este
plasma, é um quarto estado físico da matéria, pelo que podemos afirmar que
temos quatro estados físicos: sólido, líquido, gasos e plasma. O estado de plasma
existe em mais de 99% do universo conhecido.
O Sol é uma imensa bola de hidrogénio onde a temperatura é suficientemente
elevada para que ocorra a fusão de átomos de hidrogénio, formando átomos mais
pesados e libertando a energia que chega até nós na forma de luz e calor. Uma das
reacções que acontecem no Sol é a fusão de um átomo de deutério com um átomo
de trítio, formando um átomo de hélio e libertando grande quantidade de energia.
Constituição e funcionamento de um reactor nuclear
Um reactor nuclear é qualquer tipo de aparelho usado para manter e controlar uma
reacção nuclear cujo objectivo seja a produção de energia.
Existem reactores de cisão nuclear, os mais comuns,
estando neste momento em curso a criação do primeiro
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eactor de fusão nuclear.
A designação de “pilha atómica”, como também é conhecido, resultou do facto de o
primeiro reactor de cisão nuclear, construído em Chicago por uma equipa dirigida
por Enrico Fermi, ser constituído por um empilhamento de blocos de grafite e de
lingotes cilíndricos de dióxido de urânio e de urânio metálico com cerca de 7,5 m de
largura e 5,8 m de altura.
Este reactor começou a operar em 2 de Dezembro de 1942.
Os primeiros resultados obtidos em reactores de cisão nuclear foram apresentados
em Genebra, em 1955, durante a primeira conferência “Átomos para a Paz”.
Em qualquer tipo de reactor nuclear é possível distinguir:
- o combustível;
- o moderador;
- o líquido de refrigeração;
- a blindagem.
O combustível é o material que possui os núcleos cindíveis e que é colocado no
núcleo do reactor sob a forma de barras. São, normalmente, usados urânio natural
(constituído por cerca de 70% de urânio-235) e ligas de urânio enriquecido
(plutónio-239 e urânio-233).
O moderador (grafite, água natural, água pesada ou berílio) é utilizado para reduzir
a velocidade dos neutrões produzidos nas reacções de modo a aumentar a
probabilidade destes neutrões originarem mais cisões nas suas interacções com o
combustível.
O líquido de refrigeração ou fluido refrigerador evita o aquecimento excessivo do
núcleo através da remoção do calor produzido nas reacções. Os fluidos
refrigeradores mais vulgares podem ser gasosos (ar, dióxido de carbono ou hélio)
ou líquidos (água natural, água pesada ou sódio líquido).
A blindagem é um dispositivo de protecção biológica que envolve o núcleo do
reactor, separando-o da zona de trabalho, e cuja função principal consiste na
redução da intensidade das radiações emitidas pelos produtos das reacções de
cisão até valores admissíveis para a vida humana. Os materiais mais usados na
blindagem dos reactores nucleares são o chumbo e diversos tipos de betão.
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Exemplos de vários reactores de cisão nuclear
É habitual considerar que existem três tipos de reactores de cisão nuclear:
- reactores de conversão;
- reactores de investigação;
- centrais termonucleares.
Os reactores de conversão transformam, com neutrões térmicos e eficiência
elevada, material que não é cindível em material cindível. As conversões mais
frequentes são urânio-238 para plutónio-239 e tório-232 para urânio-232.
Os reactores de investigação funcionam a baixa energia (1 a 10 MW), com um
fluxo elevado de neutrões que é directamente canalizado em feixes para instalações
experimentais onde decorrem estudos de Física do Estado Sólido, produção de
radioisótopos para Medicina Nuclear ou desenvolvimento de aplicações industriais.
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As centrais termonucleares aproveitam a energia cinética dos fragmentos
originados pelas reacções de cisão para aquecer um fluido circulante. O vapor
resultante vai accionar turbinas que transformam a energia mecânica em energia
eléctrica.
Exemplos de reactores de cisão nuclear:
LWR - Light Water Reactors (Reactores de Água Leve)
Utilizam como Refrigerador e Moderador a água e como Combustível urânio
enriquecido. Os mais utilizados são os BWR (Boiling Water Reactor ou Reactores de
Água em Ebulição) e os PWR (Pressure Water Reactor ou Reactores de Água a
Pressão), estes últimos considerados actualmente como o ex-líbris. (345 em
funcionamento em 2001.)
CANDU - Canada Deuterium Uranium (Canadá Deutério Urânio)
Utilizam como Moderador água pesada (composta por dois átomos de deutério e
um de oxigénio) e como Refrigerador água comum. Como Combustível utilizam
urânio natural. (34 em funcionamento em 2001.)
FBR - Fast Breeder Reactors (Reactores Rápidos Realimentados)
Utilizam neutrões rápidos em lugar dos térmicos para a consecução da fissão. Como
Combustível utilizam plutónio e como Refrigerador sódio líquido. Este reactor não
necessita de Moderador. (4 em funcionamento em 2001.)
HTGR - High Temperature Gas-cooled Reactor (Reactor de Alta Temperatura
Refrigerado por Gás)
Usa uma mistura de tório e urânio como Combustível. Como Refrigerador utiliza
hélio e como Moderador grafite. (34 em funcionamento em 2001.)
RBMK - Reactor Bolshoy Moshchnosty Kanalny (Reactor de Canais de Alta Potência)
A sua principal função é a produção de plutónio, e como subproduto gera
electricidade. Utiliza grafite como Moderador, água como Refrigerador e urânio
enriquecido como Combustível. Pode recarregar em marcha. Tem um coeficiente de
reactividade positivo. (14 em funcionamento em 2001.)
ADS - Accelerator Driven System (Sistema Assistido por Acelerador)
Utiliza uma massa subcrítica de tório, na qual se produz a fissão apenas pela
introdução, mediante aceleradores de partículas, de neutrões no reactor.
Encontram-se em fase de experimentação, e uma das suas funções fundamentais
será a eliminação dos resíduos nucleares produzidos nos outros reactores de fissão.
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Um Reactor Nuclear Português
Em funções desde 1961, o Reactor Português de Investigação (RPI) é uma infraestrutura
única na Península Ibérica utilizada por investigadores do ITN (Instituto
Tecnológico e Nuclear) e de outras instituições, nacionais e estrangeiras. Entre
1998 e 2002, os utilizadores externos ao ITN foram responsáveis por 10% a 20%
do tempo de irradiação total.
A versatilidade do RPI revela-se na grande variedade de actividades que aí
decorrem, nomeadamente nas áreas de Física Nuclear, Física de Neutrões,
Engenharia Nuclear, Física da Matéria Condensada, Rádio-Química, Agronomia,
efeitos biológicos das radiações, efeito das radiações nos materiais, investigação
com isótopos de vida média curta, educação e treino.
No sector do RPI existem 3 grupos de investigação:
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• Operação e Exploração do Reactor, Dosimetria e Cálculos Neutrónicos
A operação segura do reactor e outros serviços relacionados (dosimetria, protecção
radiológica e cálculos neutrónicos) são os objectivos principais deste grupo. As
actividades dos membros do grupo são complementadas pela sua participação
activa na instalação e operação de novos equipamentos e experiências (feixe de
neutrões rápidos e epitérmicos, canalização iónica, etc.).
• Dispersão Atmosférica Elementar
O grupo de Dispersão Atmosférica Elementar é o principal utilizador do RPI, tendo
usado 41% do tempo de irradiação em 2002. Este grupo trabalha em colaboração
com o Sector da Física, complementado o trabalho de AAN (Análise por Activação
com Neutrões) com PIXE ("Particle Induced X-ray Emission") no acelerador van de
Graaff. Este grupo tem um número significativo de estudantes e vários contratos de
prestação de serviços.
• Laboratório de Dinâmica Aplicada
O Laboratório de Dinâmica Aplicada dedica-se à investigação em Engenharia
Nuclear, em particular ao estudo do comportamento vibratório e acústico de
componentes mecânicos. Apesar de pequeno, este grupo mantém colaborações
activas com Universidades e Laboratórios de Investigação em Portugal e no
estrangeiro.
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O Projecto de Fusão Nuclear
Os Estados Unidos aliaram-se à União Europeia, Canadá, Japão, República da China
e Federação da Rússia para proceder às negociações tendentes à celebração de um
acordo para a construção, operação e desmontagem do maior dispositivo
experimental de plasmas de fusão nuclear, por confinamento magnético, até hoje
construído na Terra: o tokamak ITER.
O ITER, palavra que em latim significa “o caminho”, tem por objectivo principal a
demonstração científica e técnica da viabilidade da fusão nuclear como uma fonte
de energia segura, limpa e praticamente inesgotável para o nosso planeta. A
construção e a operação do ITER durarão, respectivamente, 10 e 20 anos, estando
previsto que o custo de cada uma destas fases seja da ordem de 4000 milhões de
Euros.
O que é o Tokamak?
É uma máquina no interior da qual se realiza a fusão nuclear com confinamento
magnético. Sigla russa que deriva da expressão “câmara toroidal magnética”, um
“tokamak” é uma máquina que tem a forma de uma câmara de ar ou de um donut
oco. Em torno da câmara, no exterior, estão colocados ímans gigantescos que
criam o campo magnético que vai confinar o plasma. No interior da câmara, que é
revestida a berílio, colocam-se detectores que permitem controlar o que se passa
durante as experiências.
O que é o Confinamento?
Para conseguir a fusão de dois átomos é necessário fazê-los chocar um contra o
outro com uma energia suficientemente alta para que os seus núcleos possam
suplantar a natural oposição das suas cargas eléctricas idênticas e se possam
fundir. Esta energia é fornecida aos átomos sob a forma de calor - várias centenas
de milhões de graus - mas para evitar que eles “fujam” uns dos outros e colidam de
facto é necessário confiná-los num pequeno volume. Existem basicamente duas
formas de obter este confinamento:
- o “confinamento inercial” que consiste na utilização de vários raios laser que,
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vindos de diversas direcções, se concentram sobre um pequeno volume de gás e o
fazem “implodir”;
- outro método, que é o utilizado nos “tokamak”, consiste na utilização de um
campo magnético que “aperta” o pequeno volume de gás.
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Vantagens da Fusão Nuclear
A Fusão tem as mesmas vantagens da energia nuclear e algumas mais-valias
adicionais:
- baixo custo;
- não libertação para a atmosfera de gases que causem efeito de estufa;
- não apresenta os inconvenientes das actuais centrais nucleares de fissão como a
insegurança da operação e a longa vida dos lixos radioactivos;
- a quantidade de energia libertada na reacção de fusão é bem maior que a
libertada na fissão nuclear;
- pode aproveitar-se a energia da fusão nuclear em fábricas pois o hidrogénio
requerido pode ser obtido a partir da água do mar a baixo custo;
- o rendimento energético da fusão é alto;
- o lixo resultante é bem menos perigoso que o lixo da fissão, contendo apenas um
nuclídeo radioactivo, o trítio.
Um pouco de história
A Organização ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) foi
fundada em 1985 por Mikhail Gorbachev, Ronald Reagan e outros lideres mundiais.
O projecto do ITER foi realizado pela União Europeia, Estados Unidos (até 1999),
Japão e União Soviética (posteriormente, a Federação da Rússia). Custou cerca de
1500 milhões de euros e ficou completo em 2001.
Em Novembro de 2001, iniciaram-se as negociações, tendentes à implementação
do Projecto, através da assinatura de um acordo pelos Parceiros no qual seria
estipulado onde decorreria a construção do ITER, como é que os custos e as
responsabilidades seriam partilhados e como é que o Projecto seria dirigido.
As negociações começaram por envolver a União Europeia, o Japão, a Rússia e o
Canadá.
Posteriormente, também a República Popular da China solicitou a adesão às
negociações. Com a integração dos EUA, o ITER passou a ser o primeiro Projecto
Internacional de Investigação Científica e Desenvolvimento Tecnológico (I&D) que
envolve todos os Países do G8.
Existiam, inicialmente, quatro ofertas de locais para a construção do ITER:
Clarington (no Canadá), Rokkasho-mura (no Japão), Cadarache (em França) e
Vandellos (em Espanha).
Os participantes no Programa de Fusão da União Europeia, realizado no âmbito da
“European Atomic Energy Community” (EURATOM), desejavam obviamente que o
ITER fosse construído na União Europeia, de forma a poderem manter a liderança
mundial das actividades de I&D nesta área científica e a usufruírem de um retorno
máximo do investimento feito através de contratos com indústrias e Unidades de
Investigação europeias.
E conseguiram... em Junho de 2005, foi decidido, em Moscovo, ser Cadarache, no
sul de França, o local ideal para a construção do primeiro reactor experimental de
fusão nuclear.
FUSÃO NUCLEAR

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A participação portuguesa
Portugal participa no Programa de Fusão da União Europeia desde 1990 através do
Contrato de Associação entre a EURATOM e o Instituto Superior Técnico (IST) e da
participação do IST no “European Fusion Development Agreement” (EFDA).
A contribuição portuguesa para o ITER tem compreendido:
- a participação do Prof. Carlos Varandas na Delegação da União Europeia às
Negociações, na sua qualidade de Presidente da Comissão de Gestão do EFDA;
- o projecto de diagnósticos de reflectometria de microondas; e
- a inclusão de um Investigador do IST na equipa central do ITER, onde é
responsável pela integração de diagnósticos. Durante as fases de construção e
operação estão previstas participações no Projecto de Unidades de Investigação e
Empresas Portuguesas, as quais poderão ser muito significativas uma vez que o
ITER será construído na União Europeia.
Bibliografia
Centro de Fusão Nuclear - Consultório perguntas "O que é a energia nuclear?"
Centro de Fusão Nuclear - Projecto ITER
Centro de Fusão Nuclear - Expo Fusão
Instituto Tecnológico e Nuclear
FUSÃO NUCLEAR