O dispositivo e o princípio de funcionamento de um reator nuclear são baseados na inicialização e controle de uma reação nuclear auto-sustentável. É usado como ferramenta de pesquisa, para a produção de isótopos radioativos e como fonte de energia para usinas nucleares.
Reator nuclear: como funciona (brevemente)
Aqui, é usado o processo de fissão nuclear, no qual um núcleo pesado se divide em dois fragmentos menores. Esses fragmentos estão em estado altamente excitado e emitem nêutrons, outras partículas subatômicas e fótons. Os nêutrons podem causar novas fissões, resultando na emissão de mais nêutrons e assim por diante. Essa série contínua e autossustentável de divisões é chamada de reação em cadeia. Ao mesmo tempo, uma grande quantidade de energia é liberada, cuja produção tem como objetivo o uso de usinas nucleares.
O princípio de funcionamento de um reator nuclear e de uma usina nuclear é tal que cerca de 85% da energia de fissão é liberada em um período de tempo muito curto após o início da reação. O restante é produzido emo resultado do decaimento radioativo dos produtos da fissão depois de terem emitido nêutrons. O decaimento radioativo é o processo pelo qual um átomo atinge um estado mais estável. Continua mesmo após a divisão ser concluída.
Em uma bomba atômica, a reação em cadeia aumenta de intensidade até que a maior parte do material seja dividida. Isso acontece muito rapidamente, produzindo as explosões extremamente poderosas características de tais bombas. O dispositivo e o princípio de operação de um reator nuclear baseiam-se na manutenção de uma reação em cadeia em um nível controlado e quase constante. Ele é projetado de tal forma que não pode explodir como uma bomba atômica.
Reação em cadeia e criticidade
A física de um reator de fissão nuclear é que a reação em cadeia é determinada pela probabilidade de fissão nuclear após a emissão de nêutrons. Se a população deste último diminuir, a taxa de fissão acabará caindo para zero. Neste caso, o reator estará em um estado subcrítico. Se a população de nêutrons for mantida em um nível constante, a taxa de fissão permanecerá estável. O reator estará em estado crítico. E, finalmente, se a população de nêutrons crescer ao longo do tempo, a taxa de fissão e a potência aumentarão. O núcleo se tornará supercrítico.
O princípio de funcionamento de um reator nuclear é o seguinte. Antes de seu lançamento, a população de nêutrons é próxima de zero. Os operadores então removem as hastes de controle do núcleo, aumentando a fissão nuclear, que se traduz temporariamentereator ao estado supercrítico. Após atingir a potência nominal, os operadores devolvem parcialmente as hastes de controle, ajustando o número de nêutrons. No futuro, o reator é mantido em estado crítico. Quando precisa ser parada, os operadores inserem as hastes completamente. Isso suprime a fissão e leva o núcleo a um estado subcrítico.
Tipos de reatores
A maioria das instalações nucleares do mundo é geradora de energia, gerando o calor necessário para girar as turbinas que acionam os geradores de energia elétrica. Há também muitos reatores de pesquisa, e alguns países têm submarinos movidos a energia nuclear ou navios de superfície.
Central elétrica
Existem vários tipos de reatores deste tipo, mas o projeto de água leve encontrou ampla aplicação. Por sua vez, pode usar água pressurizada ou água fervente. No primeiro caso, o líquido sob alta pressão é aquecido pelo calor do núcleo e entra no gerador de vapor. Lá, o calor do circuito primário é transferido para o secundário, que também contém água. O vapor eventualmente gerado serve como fluido de trabalho no ciclo da turbina a vapor.
O reator do tipo ebulição opera no princípio de um ciclo direto de energia. A água, passando pela zona ativa, é fervida a um nível de pressão médio. O vapor saturado passa por uma série de separadores e secadores localizados no vaso do reator, que oestado superaquecido. O vapor de água superaquecido é então usado como fluido de trabalho para girar uma turbina.
Resfriado a Gás de Alta Temperatura
O Reator Refrigerado a Gás de Alta Temperatura (HTGR) é um reator nuclear cujo princípio de funcionamento é baseado no uso de uma mistura de microesferas de grafite e combustível como combustível. Existem dois designs concorrentes:
- Sistema "filler" alemão que utiliza células de combustível esféricas de 60 mm de diâmetro, que são uma mistura de grafite e combustível em uma casca de grafite;
- Versão americana na forma de prismas hexagonais de grafite que se interligam para formar uma zona ativa.
Em ambos os casos, o refrigerante consiste em hélio a uma pressão de cerca de 100 atmosferas. No sistema alemão, o hélio passa por lacunas na camada de elementos combustíveis esféricos e, no sistema americano, por orifícios em prismas de grafite localizados ao longo do eixo da zona central do reator. Ambas as opções podem operar em temperaturas muito altas, pois o grafite possui uma temperatura de sublimação extremamente alta, enquanto o hélio é completamente inerte quimicamente. O hélio quente pode ser aplicado diretamente como fluido de trabalho em uma turbina a gás em alta temperatura, ou seu calor pode ser usado para gerar vapor do ciclo da água.
Reator nuclear de metal líquido: esquema e princípio de operação
Reatores de nêutrons rápidos com refrigerante de sódio receberam muita atenção nas décadas de 1960 e 1970. Entãoparecia que sua capacidade de reproduzir combustível nuclear em um futuro próximo era necessária para a produção de combustível para a indústria nuclear em rápido desenvolvimento. Quando ficou claro na década de 1980 que essa expectativa era irrealista, o entusiasmo desapareceu. No entanto, vários reatores desse tipo foram construídos nos EUA, Rússia, França, Grã-Bretanha, Japão e Alemanha. A maioria deles funciona com dióxido de urânio ou sua mistura com dióxido de plutônio. Nos Estados Unidos, porém, o maior sucesso foi com os combustíveis metálicos.
CANDU
O Canadá concentrou seus esforços em reatores que usam urânio natural. Isso elimina a necessidade de seu enriquecimento recorrer aos serviços de outros países. O resultado dessa política foi o reator deutério-urânio (CANDU). O controle e o resfriamento nele são realizados por água pesada. O dispositivo e princípio de funcionamento de um reator nuclear é usar um tanque com frio D2O à pressão atmosférica. O núcleo é perfurado por tubos feitos de liga de zircônio com combustível de urânio natural, através dos quais a água pesada o resfria. A eletricidade é produzida transferindo o calor da fissão na água pesada para o refrigerante que circula através do gerador de vapor. O vapor no circuito secundário passa então pelo ciclo normal da turbina.
Instalações de pesquisa
Para pesquisas científicas, um reator nuclear é mais frequentemente usado, cujo princípio é usar resfriamento a água eelementos de combustível de urânio lamelar na forma de conjuntos. Capaz de operar em uma ampla gama de níveis de potência, de alguns quilowatts a centenas de megawatts. Como a geração de energia não é a principal tarefa dos reatores de pesquisa, eles são caracterizados pela energia térmica gerada, densidade e energia nominal de nêutrons no núcleo. São esses parâmetros que ajudam a quantificar a capacidade de um reator de pesquisa para realizar pesquisas específicas. Sistemas de baixa potência são normalmente usados em universidades para fins de ensino, enquanto sistemas de alta potência são necessários em laboratórios de P&D para testes de materiais e desempenho e pesquisa geral.
O reator nuclear de pesquisa mais comum, cuja estrutura e princípio de operação são os seguintes. Sua zona ativa está localizada no fundo de uma grande piscina de água profunda. Isso simplifica a observação e a colocação de canais através dos quais os feixes de nêutrons podem ser direcionados. Em níveis de baixa potência, não há necessidade de sangrar o refrigerante, pois a convecção natural do refrigerante fornece dissipação de calor suficiente para manter uma condição de operação segura. O trocador de calor geralmente está localizado na superfície ou no topo da piscina onde a água quente se acumula.
Instalações de navios
O uso original e principal dos reatores nucleares é em submarinos. Sua principal vantagem éque, ao contrário dos sistemas de combustão de combustíveis fósseis, não necessitam de ar para gerar eletricidade. Portanto, um submarino nuclear pode permanecer submerso por longos períodos de tempo, enquanto um submarino diesel-elétrico convencional deve subir periodicamente à superfície para ligar seus motores no ar. A energia nuclear dá uma vantagem estratégica aos navios da Marinha. Elimina a necessidade de reabastecimento em portos estrangeiros ou em navios-tanque vulneráveis.
O princípio de funcionamento de um reator nuclear em um submarino é sigiloso. No entanto, sabe-se que nos EUA utiliza urânio altamente enriquecido, e a desaceleração e resfriamento é feito por água leve. O projeto do primeiro reator do submarino nuclear USS Nautilus foi fortemente influenciado por poderosas instalações de pesquisa. Suas características únicas são uma margem de reatividade muito grande, que garante um longo período de operação sem reabastecimento e a capacidade de reiniciar após uma parada. A estação de energia nos submarinos deve ser muito silenciosa para evitar a detecção. Para atender as necessidades específicas de diferentes classes de submarinos, foram criados diferentes modelos de usinas.
Os porta-aviões da Marinha dos EUA usam um reator nuclear, cujo princípio acredita-se ser emprestado dos maiores submarinos. Detalhes de seu design também não foram divulgados.
Além dos EUA, Reino Unido, França, Rússia, China e Índia têm submarinos nucleares. Em cada caso, o design não foi divulgado, mas acredita-se que sejam todos muito semelhantes - issoé uma consequência dos mesmos requisitos para as suas características técnicas. A Rússia também tem uma pequena frota de quebra-gelos movidos a energia nuclear que possuem os mesmos reatores dos submarinos soviéticos.
Instalações Industriais
Para a produção de plutônio-239 para armas, é usado um reator nuclear, cujo princípio é alta produtividade com baixo nível de produção de energia. Isso se deve ao fato de que uma longa permanência de plutônio no núcleo leva ao acúmulo indesejado de 240Pu.
Produção de trítio
Atualmente, o principal material produzido por tais sistemas é o trítio (3H ou T), a carga das bombas de hidrogênio. O plutônio-239 tem uma meia-vida longa de 24.100 anos, então os países com arsenais de armas nucleares usando esse elemento tendem a ter mais do que precisam. Ao contrário do 239Pu, o trítio tem uma meia-vida de aproximadamente 12 anos. Assim, para manter os suprimentos necessários, esse isótopo radioativo de hidrogênio deve ser produzido continuamente. Nos EUA, Savannah River, Carolina do Sul, por exemplo, tem vários reatores de água pesada que produzem trítio.
Unidades de potência flutuante
Reatores nucleares foram criados para fornecer eletricidade e aquecimento a vapor para áreas remotas e isoladas. Na Rússia, por exemplo, encontraram aplicaçãopequenas usinas de energia projetadas especificamente para atender às comunidades do Ártico. Na China, uma usina HTR-10 de 10 MW fornece calor e energia ao instituto de pesquisa onde está localizada. Pequenos reatores controlados com capacidades semelhantes estão sendo desenvolvidos na Suécia e no Canadá. Entre 1960 e 1972, o Exército dos EUA usou reatores de água compactos para alimentar bases remotas na Groenlândia e na Antártida. Eles foram substituídos por usinas termoelétricas a óleo.
Exploração Espacial
Além disso, reatores foram desenvolvidos para fornecimento de energia e movimento no espaço sideral. Entre 1967 e 1988, a União Soviética instalou pequenas instalações nucleares nos satélites Kosmos para alimentar equipamentos e telemetria, mas essa política tornou-se alvo de críticas. Pelo menos um desses satélites entrou na atmosfera da Terra, resultando na contaminação radioativa de áreas remotas do Canadá. Os Estados Unidos lançaram apenas um satélite movido a energia nuclear em 1965. No entanto, projetos para seu uso em voos espaciais profundos, exploração tripulada de outros planetas ou em uma base lunar permanente continuam sendo desenvolvidos. Será necessariamente um reator nuclear refrigerado a gás ou de metal líquido, cujos princípios físicos fornecerão a temperatura mais alta possível necessária para minimizar o tamanho do radiador. Além disso, um reator espacial deve ser o mais compacto possível para minimizar a quantidade de material usado parablindagem, e para reduzir o peso durante o lançamento e vôo espacial. A reserva de combustível garantirá o funcionamento do reator durante todo o período do voo espacial.
