Usinas nucleares aproveitam a energia liberada pela fissão e a usam para acionar geradores que produzem eletricidade. Embora a energia nuclear contribua apenas com cerca de 20% da eletricidade gerada nos Estados Unidos, a capacidade nuclear do país é a mais alta de qualquer outro país - 101 gigawatts em 2010.
Componentes Comuns da Energia Nuclear
Os reatores nucleares têm esses componentes em comum:
Combustível - O urânio, um minério de metal radioativo e pesado, é o combustível mais comum para reatores nucleares. Após o processo de enriquecimento, o urânio se torna um combustível muito concentrado.
Um reator nuclear comercial requer milhares de libras de combustível enriquecido de urânio para funcionar. Usinas nucleares civis nos Estados Unidos compram aproximadamente 50 milhões de libras de combustível de urânio (equivalente a U3O8) por ano, a maioria das quais vem do exterior.
O urânio é extraído em locais em todo o mundo, principalmente no Cazaquistão, Canadá, Austrália e África. Os Estados Unidos estão entre os 10 maiores produtores de urânio.
Varetas de controle - Feitas de um material absorvente de nêutrons, como cádmio, háfnio ou boro, as hastes de controle são inseridas ou retiradas do núcleo para controlar a taxa de reação ou pará-lo, se necessário.
Moderador - Material no núcleo do reator que retarda os nêutrons liberados da fissão, causando mais fissão.
O moderador é geralmente água comum (leve), mas pode ser água pesada (D20) ou grafite.
Refrigerante - líquido ou gás que circula pelo núcleo para transferir o calor. Em reatores de água leve, o moderador de água também funciona como o refrigerante primário.
Contenção - Os reatores nucleares são envoltos em estruturas de concreto reforçadas para evitar que a radioatividade escape para a atmosfera.
Processo Básico de Energia Nuclear
A física nuclear é muito técnica, mas o processo básico para produzir eletricidade com energia nuclear é o seguinte:
O núcleo do reator produz calor e radioatividade em um processo chamado fissão, comumente conhecido como divisão de átomos. Dentro do núcleo do reator está o combustível nuclear de urânio. Quando os núcleos do urânio se separam, eles liberam nêutrons. Quando os nêutrons atingem outros átomos de urânio, esses núcleos também se dividem, liberando seus nêutrons para atingir outros átomos, causando mais fissão. Essa divisão contínua de átomos é uma reação em cadeia.
O calor das reações de fissão controlada é usado para produzir vapor a partir da água, diretamente como no reator de água fervente (BWR), ou indiretamente como no reator de água pressurizada (PWR), que contém um gerador de vapor.
O vapor aciona uma turbina que alimenta um gerador.
O gerador produz eletricidade que é distribuída para a rede elétrica.
Tipos de Reatores Nucleares
Em todo o mundo, vários tipos de reatores nucleares são usados. No entanto, os tipos mais comuns são reatores de água pressurizada (PWR) e reatores de água fervente (BWR), que são classificados como reatores de água leve. Nos Estados Unidos, a PWR e a BWR são os dois únicos tipos de usinas nucleares comerciais em operação.
- Reator de água fervente (BWR) - Neste tipo de reator, a fissão produz calor que ferve a água no núcleo do reator. O vapor da água fervente alimenta uma turbina que aciona um gerador para produzir eletricidade. Os reatores da usina de Fukushima Naiishi, no nordeste do Japão, danificados no terremoto e tsunami de março de 2011 são BWRs.
- Reator de água pressurizada (PWR) - Este tipo de reator é o mais comum para a produção de energia. Ele usa água como refrigerante e moderador, um agente que ajuda a controlar a velocidade da fissão. No sistema fechado de refrigerante primário, a água, aquecida pela energia térmica da fissão enquanto passa pelo núcleo, é mantida sob alta pressão e, portanto, não ferve. O vapor é produzido em um circuito de refrigeração secundário e é usado para alimentar uma turbina que aciona um gerador elétrico.
- Reatores moderados de água pesada e CANDU - Esses projetos usam água pesada como moderador. A água pesada - com deutério substituindo os dois átomos de hidrogênio - como moderador desacelera os nêutrons no processo de fissão e permite o uso de urânio natural, em vez de enriquecer o urânio como combustível.
- Reator modular de leito de seixo - Um reator de alta temperatura que usa refrigerante de hélio e combustível envolto em esferas de grafite e carboneto de silício para garantir a contenção do produto de fissão e a resistência ao derretimento.