Reator nuclear

O reator nuclear é o dispositivo onde ocorre a fissão ou a quebra do núcleo de átomos pesados. Ele está presente em usinas nucleares para a produção de energia elétrica.

O reator nuclear é o dispositivo onde ocorre uma reação controlada de fissão nuclear. É usado em usinas que convertem a energia nuclear em energia térmica ou elétrica. Além disso, é empregado em pesquisas científicas e até mesmo na medicina. Aprenda sobre os reatores nucleares, seus tipos e sua presença em usinas nucleares.

O que é um reator nuclear

O reator nuclear é o nome dado para o local onde uma reação de fissão ou fusão ocorre de modo controlado. Ele recebe essa denominação porque as reações acontecem nos núcleos dos átomos. A origem dos reatores data de antes da Segunda Guerra Mundial, onde cientistas descobriram que a fissão de átomos de urânio poderiam desencadear uma reação em cadeia, favorecendo o desenvolvimento de bombas extremamente poderosas. Sendo assim, o objetivo dos primeiros reatores produzidos era de fabricação de plutônio radioativo para a construção de armamento nuclear.

Os reatores de fusão ainda estão em fase experimental, visto que existe muita dificuldade em realizar a fusão de dois átomos. Então, toda energia nuclear produzida no mundo tem origem em um reator nuclear de fissão. Nele, é utilizado um composto de urânio (U-238) enriquecido com um isótopo mais instável do urânio (U-235) e as temperaturas podem passar dos 400 °C. Esse reator é empregado, por exemplo, na produção de energia elétrica que abastece cidades ou em submarinos que contam com uma mini-usina nuclear para manter o funcionamento dos propulsores.

Como funciona um reator nuclear

O mecanismo de funcionamento dos reatores é baseado na fissão nuclear, ou seja, a quebra do núcleo de um átomo em dois núcleos de menor massa. Os átomos de U-235 conseguem absorver nêutrons e sofrer essa fissão, dando origem a átomos de criptônio (Kr-92) e bário (Ba-141), além de mais 3 nêutrons livres, que se chocam com outros átomos de U-235 em uma reação em cadeia. A representação da fissão é:

235U + 1 n → 92Kr + 141Ba + 3 n + ENERGIA

Essa fissão libera muita energia térmica, raios gama e nêutrons. Sendo assim, o calor pode ser usado na geração de vapor de água, que movimentará uma turbina de geração de energia elétrica. As partes essenciais para um reator nuclear são:

  • Combustível nuclear: é o isótopo físsil, ou seja, o átomo que sofrerá a quebra;
  • Moderador nuclear: reduz a velocidade dos nêutrons originados na fissão, para poderem atingir outros núcleos;
  • Refrigerador: conduz o calor produzido até a turbina de geração de energia elétrica;
  • Blindagem: evita o escapamento da radiação;
  • Material de controle: atua como freio, são materiais que impedem a continuidade das reações em cadeia pela absorção de nêutrons.

Tipos de reatores nucleares

Sabendo das principais partes de um reator nuclear, é possível ter um entendimento maior de quais tipos existem, visto que eles se diferenciam por modificações em materiais utilizados como controladores, refrigeradores ou moderadores, por exemplo. Em todos eles, o mecanismo de fissão ocorre. Veja abaixo os principais tipos:

  • PWR – reator de água pressurizada: é o reator mais utilizado no mundo, seu funcionamento sob pressão faz com que a água aquecida se mantenha líquida em temperaturas superiores a 300 °C, usada para vaporizar água em outro recipiente;
  • BWR – reator de água fervente: também é muito utilizado. Ele usa a água como refrigerador e moderador nuclear, porém em temperaturas mais baixas;
  • HWR – reator nuclear de água pesada: nesse tipo, é usada água pesada como moderador nuclear e refrigerador. As moléculas de água pesada possuem átomos de deutério no lugar de hidrogênio, ou seja, o isótopo de H com 1 próton e 1 nêutron;
  • GCR – reator resfriado a gás: nele o material moderador é constituído de grafite e o refrigerador é um gás, geralmente hélio ou dióxido de carbono. Além disso, o combustível é o urânio natural;
  • ACR – reator resfriado a gás avançado: semelhante ao anterior, a diferença é de que o combustível é urânio enriquecido. Seu uso é mais comum no Reino Unido;
  • HTGCR – reator resfriado a gás de temperatura elevada: também utiliza gases como refrigeradores. Seu modo de funcionamento é igual ao PWR, porém as temperaturas atingidas são de 1000 °C, então é usado na produção de H2 sem emitir CO2.

Esses são os principais tipos de reatores nucleares que estão em operação no mundo, todos partindo do mesmo princípio de operação, mas com diferenças em seus componentes que possibilitam diferentes aplicações. É importante lembrar que ainda existem muitas pesquisas para buscar novas alternativas e inovações no ramo da energia nuclear.

Reatores nucleares no Brasil

No Brasil, alguns reatores nucleares estão em operação. A maioria deles em laboratórios de pesquisa, porém, os mais importantes se encontram em Angra dos Reis, Rio de Janeiro. Em Angra, está localizada a Usina Elétrica da Central Nuclear Almirante Álvaro Alberto. Os reatores, Angra I e II, são do tipo PWR e produzem energia elétrica que abastece a região do Rio de Janeiro, São Paulo e Belo Horizonte, correspondendo a cerca de 3% da matriz energética do país. Um terceiro reator está em construção na usina, com previsão de operação para 2026.

Chernobyl

O acidente nuclear de Chernobyl, que ocorreu em 25 e 26 de abril de 1986 no reator 4 da Usina Nuclear de Chernobyl, no norte da Ucrânia Soviética. Foi um dos maiores desastres nucleares da história. Ele aconteceu durante uma sessão de teste de segurança que desligaria intencionalmente os sistemas de emergência. Houve falhas de projeto e de operação que causaram o descontrole das reações de fissão nuclear no reator.

No total, 28 pessoas morreram, 134 tiveram confirmação de contaminação por iodo radioativo, centenas de milhares de moradores foram realocados e a natureza local foi afetada. É estimado que os riscos de contaminação na área continuarão por mais de 20 mil anos.

Vídeos sobre os reatores nucleares

Agora que o conteúdo já foi apresentado, veja os vídeos selecionados para ajudar a assimilar o tema de estudo:

Como funciona uma usina nuclear

No Brasil, existe uma usina elétrica nuclear. Localizados em Angra dos Reis, os reatores Angra I e Angra II realizam a conversão de energia nuclear em energia elétrica para distribuir pela região, principalmente entre São Paulo, Rio de Janeiro e Belo Horizonte. Confira como é o funcionamento desse reator nuclear e como a usina é estruturada para garantir a segurança.

Transformação de energia nuclear em energia elétrica

A fissão nuclear é a quebra de um núcleo atômico, que resulta na formação de dois núcleos mais leves e a liberação de energia. É o processo utilizado num reator nuclear para a produção de energia elétrica, por exemplo. Assista ao vídeo para entender como acontece a quebra e como ela pode ser destinada para a conversão em energia térmica e, posteriormente, em elétrica.

A fissão nuclear nos reatores

Entenda todos os passos de uma fissão nuclear, a reação de quebra dos núcleos atômicos que resulta na liberação de uma enorme quantidade de energia. Essa reação possui crescimento exponencial rápido. Além disso, compreenda como um átomo de urânio-235 se transforma em dois átomos diferentes: o bário e o criptônio.

Em síntese, um reator nuclear é o local onde ocorre uma reação de fissão nuclear de forma controlada, com a finalidade de converter a energia dos átomos em outros tipos de energia, como a elétrica, por exemplo. Não pare de estudar aqui, entenda mais sobre a radioatividade e quais são as partículas emitidas durante esse processo nuclear.

Referências

Princípios de Química: Questionando a Vida Moderna e o Meio Ambiente (2005) – Peter Atkins e Loretta Jones
Química Inorgânica(1992) – Peter Atkins, Duward F. Shriver e Cooper H. Langford
Radiation: The Chernobyl accident – World Health Organisation (On-line) – Disponível em: https://www.who.int/news-room/q-a-detail/radiation-the-chernobyl-accident. Acesso em 07 de out. de 2021.
Eletrobras – eletronuclear (On-line) – Disponível em: https://www.eletronuclear.gov.br/Paginas/default.aspx. Acesso em 07 de out. de 2021.
Energia Nuclear (On-line) – Disponível em: https://pt.energia-nuclear.net/. Acesso em 07 de out. de 2021.

Lucas Makoto Tanaka dos Santos
Por Lucas Makoto Tanaka dos Santos

Bacharel em Química pela Universidade Estadual de Maringá (UEM), mestrando em Química Analítica, com ênfase em desenvolvimento de métodos analíticos, metabolômica e espectrometria de massas no Laboratório de Biomoléculas e Espectrometria de Massas (LaBioMass), na mesma universidade.

Como referenciar este conteúdo

Tanaka dos Santos, Lucas Makoto. Reator nuclear. Todo Estudo. Disponível em: https://www.todoestudo.com.br/quimica/reator-nuclear. Acesso em: 26 de November de 2021.

Exercícios resolvidos

1. [UFPE]

O programa nuclear do Irã tem chamado a atenção internacional em função das possíveis aplicações militares decorrentes do enriquecimento de urânio. Na natureza, o urânio ocorre em duas formas isotópicas, o U-235 e o U-238, cujas abundâncias são, respectivamente, 0,7% e 99,3%. O U-238 é radioativo, com tempo de meia-vida de 4,5 x 109 anos, independentemente do tipo de aplicação desejada. Sobre o uso do urânio, considere a equação abaixo e analise as afirmativas a seguir.

92U235 + 0n156Ba140 + xKry + 30n1

1. O U-238 possui três prótons a mais que o U-235.
2. Os três nêutrons liberados podem iniciar um processo de reação em cadeia.
3. O criptônio formado tem número atômico igual a 36 e número de massa igual a 96.
4. A equação acima representa a fissão nuclear do urânio.
5. Em virtude do tempo de meia-vida extremamente longo, o U-238 não pode, de forma alguma, ser descartado no meio ambiente.

Estão corretas apenas:

a) 1, 2 e 5
b) 2, 3, 4 e 5
c) 1, 3 e 4
d) 2, 4 e 5
e) 3, 4 e 5

Analisando as afirmações
1. ERRADA: U-238 e U-235 são dois isótopos do Urânio. Isso quer dizer que eles apresentam o mesmo número atômico, ou seja, mesmo número de prótons. Porém, seus números de massa são diferentes.

2. CERTA: São justamente os 3 nêutrons liberados que darão continuidade às próximas reações de fissão, num processo em cadeia.

3. ERRADA: Para calcular o número atômico (Z), sabendo que a soma de Z dos reagentes deve ser igual à soma dos Z dos produtos:

92U235 + 0n156Ba140 + xKry + 30n1

92 + 0 = 56 + x + 3.0
92 = 56 + x
x = 92 – 56
x = 36

Para o número de massa (A), é a mesma coisa, lembrando que é preciso multiplicar pelo coeficiente estequiométrico, quando houver:

235 + 1 = 140 + y + 3.(1)
236 = 140 + y + 3
236 – 140 – 3 = y
y = 93

4. CERTA: O urânio absorveu um nêutron e se quebrou em dois novos átomos de menor massa, liberando três nêutrons.

5. CERTA: O Urânio apresenta uma meia-vida de 4,5 bilhões de anos, portanto continua radioativo por muito tempo. Seu descarte deve ser feito em local adequado e protegido para não haver contaminação radioativa.

Sendo assim, a alternativa correta é a letra d) 2, 4 e 5.

2. [ENEM]

A bomba
reduz neutros e neutrinos, e abana-se com o leque da
reação em cadeia
ANDRADE, C. D. Poesia completa e prosa. Rio de Janeiro: Aguilar, 1973 (fragmento).

Nesse fragmento de poema, o autor refere-se à bomba atômica de urânio. Essa reação é dita “em cadeia” porque na

a) fissão do 235U ocorre liberação de grande quantidade de calor, que dá continuidade à reação.
b) fissão de 235U ocorre liberação de energia, que vai desintegrando o isótopo 238U, enriquecendo-o em mais 235U.
c) fissão do 235U ocorre uma liberação de nêutrons, que bombardearão outros núcleos.
d) fusão do 235U com 238U ocorre formação de neutrino, que bombardeará outros núcleos radioativos.
e) fusão do 235U com 238U ocorre formação de outros elementos radioativos mais pesados, que desencadeiam novos processos de fusão.

Durante a fissão, o fator responsável pela reação em cadeia é a liberação de nêutrons depois da quebra do átomo pesado. Sendo assim, a alternativa correta é a letra c) fissão do 235U ocorre uma liberação de nêutrons, que bombardearão outros núcleos.

Compartilhe

TOPO