Qual o país que mais utiliza energia nuclear para a produção de energia elétrica?

O país que mais utiliza a energia nuclear para produção de energia elétrica é a França.
Cerca de 70% da energia elétrica na França é gerada em usinas nucleares

Já existem reatores nucleares que utilizam a fusão nuclear, como ocorre no Sol, em vez da fissão nuclear?

O Dr. Luís Antônio Albiac Terremoto   www.ipen.br/r/pessoal/terremoto/hppe.html, da Diretoria de Reatores, Divisão de Engenharia do Núcleo (REN), responde:

Até hoje, nenhum reator construído no planeta Terra conseguiu reproduzir durante um intervalo de tempo maior que aproximadamente dois segundos o mecanismo pelo qual as estrelas, entre elas o Sol, geram energia. O que existe são dispositivos experimentais denominados tokamaks, nos quais são estudadas as condições em que as reações nucleares de fusão podem ocorrer de maneira controlada, com a finalidade de produzir energia.

A grande dificuldade em estabelecer de maneira controlada reações nucleares de fusão consiste no fato de que as mesmas só ocorrem quando os núcleos de Hidrogênio, superando a repulsão elétrica entre suas cargas positivas, fundem-se sob a ação de forças nucleares muito intensas e de curtíssimo alcance, "colando" uns nos outros e liberando energia. Isto acontece nas partes localizadas no interior de uma estrela, porque nelas se concentra o peso colossal das suas camadas externas. Para se ter uma idéia desta força gravitacional, basta lembrar que o Sol tem massa um milhão e trezentas mil vezes maior que a da Terra e volume cerca de um bilhão de vezes maior que o terrestre. A situação em uma estrela poderia ser descrita resumidamente da seguinte maneira: a força gravitacional torna possível aos núcleos de Hidrogênio superarem as forças elétricas de repulsão, de tal modo que as forças nucleares possam atuar e as reações nucleares de fusão possam ocorrer.

Na Terra, torna-se necessário substituir a força gravitacional por algum outro tipo de força. Nestas circunstâncias, foi concebido na década de 50 o tokamak, um dispositivo capaz de combinar a ação de campos magnéticos - originados por um conjunto de ímãs - em torno de uma massa de núcleos de Hidrogênio, para que a força eletromagnética atuando sobre estes núcleos possa "espremê-los" a ponto das reações nucleares de fusão ocorrerem. Entretanto, somente em 1991 foi obtida energia por meio deste processo, no laboratório de pesquisas JET (sigla para Joint European Torus), localizado na cidade de Abingdon, Reino Unido, que hoje é o maior e mais importante tokamak em operação no mundo. A máquina do JET garantiu uma potência de 1,7 MW durante cerca de dois segundos.

Atualmente, está sendo desenvolvido um projeto denominado ITER, sigla em Inglês para Reator Termonuclear Experimental Internacional, que prevê a cooperação entre as principais potências do planeta ( EUA, Alemanha, Reino Unido, França, Japão, Itália, Canadá e Rússia) e a instalação de um total de quatro tokamaks iguais, cada um deles duas vezes maior que o JET. Estes novos tokamaks serão testados simultaneamente em localidades no território de quatro destes países. Pretende-se que cada um destes quatro tokamaks produza 1000 MW durante pelo menos mil segundos inicialmente, e depois de maneira permanente.

De acordo com as estimativas mais recentes, o primeiro tokamak comercial deve começar a funcionar plenamente daqui a cerca de trinta anos.

Qual é o benefício da energia nuclear para a paz mundial?

O Dr. Luís Antônio Albiac Terremoto www.ipen.br/r/pessoal/terremoto/hppe.html, da Diretoria de Reatores, Divisão de Engenharia do Núcleo (REN), responde:

A energia nuclear, assim como todas as descobertas e inovações científicas e tecnológicas, pode ser utilizada para fins pacíficos ou bélicos. Decidir dar prioridade a uma destas formas de utilização não é uma questão técnica ou científica, mas sim política.

É fato conhecido que, desde o final da Segunda Guerra Mundial, a energia nuclear tem sido utilizada pelas grandes potências mundiais principalmente para desenvolvimento e fabricação de armas destinadas à destruição e extermínio em massa, as quais, caso fossem empregadas em larga escala, certamente causariam a eliminação total da vida no planeta Terra.

Alguns analistas políticos argumentam que foi justamente este poder descomunal de destruição o motivo pelo qual os artefatos nucleares nunca mais foram empregados como arma de guerra depois dos bombardeios das cidades japonesas de Hiroshima e Nagasaki (levados a cabo em agosto de 1945), fato que evitou o desencadeamento de novo conflito de proporções globais e assegurou a paz mundial, principalmente durante o período da chamada "guerra fria" entre os EUA e a então URSS. Em resumo, tais analistas consideram que as armas nucleares acabaram constituindo uma garantia para a manutenção da paz mundial.

Discordo desta opinião e considero a existência de armas nucleares não só uma grave ameaça à paz mundial (afinal, armas são feitas para serem usadas, dificilmente ficando restritas apenas à função de mero "espantalho"), como também um instrumento de pressão e chantagem das grandes potências contra outras nações que eventualmente possam contrariar seus interesses geopolíticos (principalmente após o fim da "guerra fria"). Em relação a esta questão, há somente uma postura responsável: todas as armas de destruição e extermínio em massa, sejam nucleares, químicas ou bacteriológicas, devem ser gradualmente desmanteladas e a seguir proscritas para sempre.

Apesar das aplicações bélicas, energia nuclear não é necessariamente sinônimo de armamento, como querem fazer crer alguns setores com influência nos meios de comunicação. Os usos pacíficos desta forma de energia desempenham cada vez mais um papel relevante na elevação do nível de vida dos povos de nações mais desenvolvidas e abrangem a pesquisa científica básica, a produção de isótopos radioativos (denominados radioisótopos) para uso medicinal, industrial e agrícola, a alteração das propriedades de materiais, a propulsão de embarcações marítimas e a geração de energia elétrica. Para abordar apenas este último uso, dados da Agência Internacional de Energia Atômica (AIEA) indicam que as 424 usinas nucleares em operação produzem atualmente 17% do total da energia elétrica consumida em todo o mundo.

Nestas condições, o domínio pleno da tecnologia nuclear para fins pacíficos é imprescindível às nações que de fato pretendem promover o bem-estar social de seus povos por meio do desenvolvimento tecnológico autônomo e, consequentemente, do progresso econômico. Até porque sem bem-estar social é impossível alcançar a paz duradoura, seja a nível local ou mundial.

Qual é o risco que uma usina nuclear pode trazer à sociedade?

O Dr. Luís Antônio Albiac Terremoto www.ipen.br/r/pessoal/terremoto/hppe.html, da Diretoria de Reatores, Divisão de Engenharia do Núcleo (REN), responde:

Nas estatísticas internacionais , o setor nuclear está classificado como uma das atividades industriais com menor índice de acidentes, apesar da complexidade dos processos que lhe são inerentes.

Várias razões explicam esse cenário, principalmente a prioridade concedida a medidas preventivas, que se traduzem, na prática, em normas de segurança rigorosas a serem observadas durante a construção, operação e desativação de usinas nucleares.

Para efeito de comparação, um levantamento detalhado dos desastres (que causaram oficialmente mais de 90 mortes cada um) ocorridos no mundo todo ao longo deste século, como conseqüência das mais diversas atividades industriais (sem contar acidentes de transportes ou resultantes de falhas estruturais), não inclui qualquer acidente em instalações nucleares.

Por outro lado, este mesmo levantamento aponta dezoito desastres envolvendo explosões de gases ou líquidos inflamáveis (a maioria derivados de petróleo: gás natural, gás liquefeito de petróleo, gasolina, óleo combustível), doze desastres resultantes da manipulação negligente de explosivos, munições ou fogos de artifício, cinco desastres causados por explosões em fábricas, indústrias químicas, depósitos de produtos químicos e instalações portuárias, cinco desastres causados por poluição atmosférica, envenenamento por mercúrio e vazamento de substâncias tóxicas (o mais grave desastre industrial deste século, ocorrido no ano de 1984, na cidade de Bhopal, Índia, foi causado pelo vazamento da substância tóxica isocianato de metila a partir de uma fábrica de inseticidas, resultando em 3.849 mortes) e três desastres desencadeados por explosões de nitrato de amônio (substância utilizada em alguns países como fertilizante ou matéria-prima para explosivos). Incluindo-se neste levantamento também os desastres ocorridos em atividades de mineração, constata-se oito ocorrências que resultaram em mais de 400 mortos cada uma (seis delas em minas de carvão).

Até hoje, foram registrados apenas seis acidentes em instalações nucleares com vítimas fatais, totalizando 90 mortos (menos, portanto, que apenas um dos desastres não nucleares citados). Os que apresentaram maior número de vítimas foram os ocorridos em 1957 na cidade de Windscale, Reino Unido (incêndio em um reator nuclear destinado a produzir plutônio para fins militares), que causou um número estimado de 39 mortes, e em 1986 em Chernobyl, Ucrânia (explosão e incêndio no reator nuclear 4 daquela usina nucleoelétrica, decorrentes de violações grosseiras das normas de segurança durante a operação), que causou até o momento um número oficial de mortos igual a 45 (dos quais 31 morreram nos três primeiros meses depois do acidente e 14 morreram ao longo dos dez anos seguintes). Estes dados sobre o acidente nuclear de Chernobyl estão contidos em um documento oficial publicado em julho de 1996 pela Agência Internacional de Energia Atômica (AIEA), intitulado "One Decade After Chernobyl: Summing up the Consequences of the Accident", o qual resume os resultados da conferência internacional que reuniu especialistas da própria AIEA e também da Organização Mundial de Saúde (OMS) para avaliar as conseqüências do acidente.

Para concluir, pode-se afirmar com base nestes fatos que o risco à sociedade representado por uma usina nuclear é menor que o risco decorrente de outras atividades industriais com as quais esta mesma sociedade já se acostumou a conviver e que, não obstante, seguem normas de segurança bem menos rigorosas que o setor nuclear.

O que são reatores nucleares rápidos e como funcionam?

O Dr. Luís Antônio Albiac Terremoto   www.ipen.br/r/pessoal/terremoto/hppe.html, da Diretoria de Reatores, Divisão de Engenharia do Núcleo (REN), responde:

O primeiro reator rápido do mundo foi construído em Los Álamos, Novo México, EUA, no ano de 1946. Algum tempo depois, em dezembro de 1951, o reator rápido denominado Reator Conversor Experimental (EBR-1) em Arco, Idaho, EUA entrou para a história como o primeiro reator nuclear do mundo a gerar energia elétrica, embora não integrado à rede pública de fornecimento de energia.

Em reatores rápidos, a energia cinética dos nêutrons que induzem reações nucleares de fissão está situada na faixa entre 10 keV e 1 MeV. Ao contrário do que ocorre em reatores térmicos, os reatores rápidos não possuem moderador e utilizam combustível nuclear altamente enriquecido. Em geral, dois tipos de combustível nuclear são utilizados em reatores rápidos: dióxido de urânio enriquecido entre 25% e 50% em 235U; mistura denominada óxido misto, que contém 75% de dióxido de urânio depletado (que é praticamente 238U puro) e 25% de dióxido de plutônio (239Pu).

Como conseqüência, o custo inicial do combustível nuclear destes reatores é muito alto e para tornar economicamente viável seu funcionamento, torna-se necessário operá-los em condições que propiciem taxas elevadas de queima. Por exemplo, a taxa de queima em reatores rápidos é da ordem de 100.000 MWdia/tonelada de combustível, enquanto em um reator PWR típico a mesma taxa perfaz 30.000 MWdia/tonelada de combustível.

A concentração elevada de material físsil e a ausência de qualquer moderador tornam o núcleo de um reator rápido muito pequeno comparado com o núcleo de um reator térmico de mesma potência. Para efeito de comparação, o reator rápido protótipo (PFR) localizado em Dounreay, Reino Unido, fornece uma potência térmica de 600 MW tendo um núcleo com 1m de altura e 1,8 m de diâmetro, enquanto o reator avançado refrigerado a gás (AGR) britânico Hunterston B fornece uma potência térmica de 1500 MW em um núcleo com 8,2 m de altura e 9,3 m de diâmetro. Assim, a densidade de potência do reator PFR resulta quase cem vezes maior que em um reator AGR.

A densidade de potência excepcionalmente elevada que caracteriza os reatores rápidos impõe certos parâmetros de projeto especiais. Para simultaneamente reduzir a temperatura máxima do combustível nuclear e obter temperaturas elevadas do fluído refrigerante, as varetas combustíveis devem ter um diâmetro muito pequeno, assumindo a forma de pinos. Os pinos combustíveis do reator rápido PFR de Dounreay contém pastilhas cilíndricas de UO2 + PuO2 com 6 mm de diâmetro, acondicionadas em tubos de aço inoxidável. A quantidade de 239Pu no combustível nuclear varia entre 22% e 30%. Um total de 325 pinos combustíveis, posicionados fixamente por meio de grades espaçadoras forma um subconjunto combustível hexagonal em que os lados opostos distam 142 mm. O núcleo é constituído por 70 subconjuntos combustíveis.

O núcleo é totalmente circundado por um envoltório no qual o combustível consiste apenas em urânio depletado. Assim, nêutrons que escapam do núcleo e alcançam o envoltório podem sofrer captura radiativa e produzir 239Pu. Uma pequena fração da potência fornecida pelo reator é proveniente do envoltório, onde este 239Pu é fissionado. Os subconjuntos combustíveis colocados no núcleo do reator contém urânio depletado nas extremidades inferior e superior para formar o envoltório axial. A parte central de cada pino combustível, com comprimento de 914 mm, é preenchida pelas pastilhas de óxido misto para formar o núcleo propriamente dito.

O refrigerante usado neste tipo de reator precisa apresentar propriedades excelentes no que se refere à transferência de calor, além de não ser moderador. Água comum e água pesada são moderadores, enquanto gases não possuem propriedades adequadas no que diz respeito à transferência de calor. Nestas circunstâncias, restam como refrigerantes os metais líquidos. Todos os reatores nucleares rápidos construídos até hoje utilizaram como refrigerantes sódio metálico líquido (a grande maioria) ou então uma liga metálica de sódio-potássio em estado líquido. Ambos possuem pontos de ebulição bastante elevados à pressão atmosférica (890º C, no caso do sódio), de maneira que não é necessário pressurizá-los no reator.

A inexistência de componentes altamente pressurizados no sistema primário de um reator nuclear rápido constitui uma característica favorável no aspecto de segurança. A maioria dos projetos de reatores rápidos apresenta o núcleo e o sistema de refrigeração primário instalados dentro de um grande vaso de aço inoxidável preenchido com sódio metálico líquido a pressão próxima da atmosférica. O espaço que dentro do vaso está situado acima do nível atingido pelo sódio metálico líquido é totalmente preenchido com o gás nobre argônio para evitar a ocorrência de reações químicas.

Entretanto, o uso de sódio metálico como refrigerante em reatores nucleares apresenta uma série de desvantagens. O ponto de fusão deste metal é 98º C, o que obriga a manter o reator acima desta temperatura quando desligado. Este inconveniente pode ser superado pelo uso de uma liga eutética sódio-potássio (contendo 78% de potássio e 22% de sódio), cujo ponto de fusão é -11 ºC. O problema mais sério, no entanto, consiste no fato do sódio metálico reagir quimicamente de maneira violenta com ar e principalmente com água, o que toma a integridade estrutural de componentes como tubulações e trocadores de calor absolutamente essencial.

Além dos problemas já enumerados, o sódio é ativado ao passar pelo núcleo do reator como conseqüência da reação nuclear de captura radiativa 23Na(n, gama)24Na através da qual é formado o isótopo radioativo 24Na. Este isótopo possui meia-vida de 15 horas e emite dois raios-gama de energia bastante alta (1368 kev e 2754 keV) com intensidades absolutas de emissão elevadas (praticamente 100%). Portanto, o sódio que flui no circuito de refrigeração primário não pode passar fora da blindagem biológica. Um circuito secundário de sódio é então necessário para estabelecer a circulação de refrigerante entre o trocador de calor primário (localizado dentro de uma blindagem biológica, mas separado do núcleo por uma blindagem para barrar nêutrons) e os geradores de vapor.

No reator rápido PFR de Dounreay, o sódio que flui no circuito de refrigeração primário passa através dos subconjuntos combustíveis hexagonais contidos no núcleo, ingressando nesta parte do reator com a temperatura de 430 ºC e saindo dela com a temperatura de 595 ºC. No trocador de calor primário, o sódio que flui no circuito secundário é aquecido a uma temperatura de 590 ºC. Por fim, nos geradores de vapor é produzido vapor de água a uma pressão de 160 atm e a uma temperatura de 565 ºC. A potência térmica fornecida pelo reator é 600 MW, a partir da qual são gerados 250 MW elétricos.

Além do Reino Unido, outros países europeus desenvolveram reatores nucleares rápidos, com destaque para a França. O reator nuclear rápido francês denominado Superphenix 1 é o primeiro deste tipo no mundo a operar comercialmente, gerando 1200 MW elétricos e fazendo parte da rede pública de fornecimento de energia.

O custo muito alto e a existência de reservas abundantes de urânio com preços razoavelmente baixos são obstáculos atuais de ordem econômica que dificultam a utilização em larga escala dos reatores nucleares rápidos. É provável que apenas em meados do próximo século este tipo de reator passe a exercer um papel importante na geração nucleoelétrica mundial, talvez na condição de sucessor dos diversos reatores nucleares térmicos e antecessor dos reatores nucleares a fusão.

Quais as principais aplicações da energia nuclear no Brasil ?

O Dr. Rajendra Narain Saxena, do Departamento de Física e Química Nucleares, responde:

"De forma genérica e muito resumidamente, estas são as principais aplicações da energia nuclear, tanto no Brasil quanto em qualquer outro pais do mundo, que possui desenvolvimento na área de energia nuclear:

Principais Aplicações Pacíficas da Energia Nuclear:

1. Fonte de Energia Elétrica:

Reatores Nucleares de Potência

2. Área da Saúde:

Utilização de radioisótopos e radiação (gama, beta, nêutrons) em medicina nuclear para uso diagnóstico e terapêutico, esterilização de equipamentos e materiais hospitalares, etc.

3. Agricultura:

Mutação genética de grãos e plantas, preservação de alimentos, pelo processo de irradiação com gama, uso de radiotraçadores e no estudo de solo e plantas, etc.

4. Indústria:

Análise não destrutiva de materiais pela gamagrafia, neutrongrafia, uso de radioisótopos como traçadores em medidas de processos industriais, modificação de características de materiais industriais com radiação.

5. Estudos Científicos:

Uso de radioisótopos e radiações nucleares (gama, beta, alfa, nêutrons, etc.) em estudos acadêmicos (Física, Química, Ciências de Materiais); desenvolvimento de novas tecnologias com aplicação de técnicas nucleares.

Se tiver alguma pergunta específica sobre qualquer aplicação, podemos responder com mais detalhes. "

Gostaria de saber sobre as aplicações de radioisótopos e a indicação de algum livro sobre o assunto.

Resposta de nossa pesquisadora Margarida Enoshita Otomo, da Supervisão de Produção de Radioisótopos:

"Os radioisótopos são aplicados principalmente na área de medicina, agricultura, indústria, arqueologia e diversas áreas de pesquisas. Podem ser usados como traçadores, como fontes de radiografia e como fontes de irradiação.

Apresentamos, a seguir, algumas aplicações em cada campo:

Na medicina, o Iodo-131 é utilizado para fins de diagnóstico e terapia da tieróide, o Tecnécio-99m ligado a moléculas específicas permite realizar diagnósticos para quase todos os órgãos do corpo humano; o Cromo-51 para marcação de células; o Cácio-45 para estudos metabólicos do Cálcio; Sódio-24 para estudo da difusão em membranas e equilíbrio sódio-potássio; o Gálio-67 para detecção de tumores em tecidos moles; o Tálio-201 para a visualização do miocárdio e recentemente o uso de Samário-153 para eliminação de dor de câncer ósseo.

Na agricultura, o fósforo-32 é utilizado para verificar a absorção dos fertilizantes pelas plantas, no estudo dos processos orgânicos e bioquímicos dos animais e nos estudos dietéticos; o Fósforo-32 e o Estrôncio-89 são empregados na avaliação da eficácia dos controles de insetos destruidores e portadores de doenças; o Carbono-14 é usado no estudo do grau de decomposição das matérias orgânicas no solo e sua disponibilidade como alimento para plantas e no estudo da fotossíntese; o Cobalto-60 para preservação e esterilização de alimentos.

Na indústria, o Ferro-59 é utilizado para medir o desgaste das molas de segmentos dos êmbolos dos motores em atrito; o Fósforo-32 para medir o desgaste dos frisos do pneu de automóvel; o Sódio e o Iodo radioativos são freqüentemente utilizados para indicar vazamentos nas tubulações de água; os radioisótopos emissores de raios beta são utilizados para determinar espessura de metais; utilização dos rádios gama do Cobalto-60 como fonte de radiação para provocar reações químicas, possibilitando a alta qualidade na fabricação de combustíveis, lubrificantes e outros subprodutos químicos do petróleo; na hidrologia, o Trítio artificial é utilizado para estudos de poluição das águas subterrâneas; Bromo-82 para estudos de propagação de contaminantes em rios; o Ouro-198 para determinar o transporte de sedimentos em rios para quantificar o assoreamento de reservatórios ao longo do tempo e propor medidas de prevenção.

Num campo totalmente diferente daqueles que vimos, temos a arqueologia que faz uso do Carbono-14 para determinação da idade de matéria orgânica. Pela versatilidade das aplicações citadas anteriormente, os radioisótopos tornam-se um instrumento indispensável para o bem estar do ser humano.

Bibliografia: O átomo em ação, Henry A. Dunlop e Hans N. Tuch, Zahar Editores e Da energia Nuclear, Donald J. Hughes - Editora Clássico-Científica."

Para que finalidade utiliza-se a irradiação de alimentos?

A irradiação de alimentos é utilizada para:

Preservação de alimentos

Os alimentos contém alguns componentes chaves que, embora presentes em concentrações muito baixas, regulam seu sabor, seu aspecto e seu valor nutritivo. Estes componentes aso muito lábeis sob irradiação e, se a dose de radiação for alta, pode causar transformações no sabor, odor e na cor desses alimentos. Embora doses altas sejam necessárias para esterilizar totalmente um alimento, doses muito pequenas tem a propriedade útil de estender a vida de alimentos estocáveis.
Existem vários processos relacionados com a preservação temporária e conservação permanente de produtos alimentícios, onde pode ser aplicada a tecnologia das radiações, as vezes com uma opção frente a outros métodos tradicionais.

Inibição da Germinação

O aparecimento do broto nos tubérculos e outras raízes nutritivas como a batata, por exemplo, após um determinado período de armazenagem é um fator importante na deterioração desses alimentos e causa grandes prejuízos. Doses baixas de radiação, de 50Gy (Gray) a 100Gy, são suficientes para inibir definitivamente a germinação possibilitando prolongar o período de armazenagem desses produtos, sem perda do peso e da qualidade, dispensando o uso de inibidores químicos.
Alimentos como batata, alho, cebola estão sendo irradiados e comercializados.

Desinfestação

A radiação aplicada em doses baixas, cerca de 30Gy a 200Gy, é capaz de controlar a população de insetos num material a granel, não só causando a morte ou inibindo a reprodução dos insetos adultos como também impedindo que larvas e ovos terminem o seu ciclo. Utiliza-se essa técnica para preservação de frutas, grãos, farinhas, legumes, etc...

Pasteurização

A reprodução da população de agentes corruptores se faz normalmente com a pasteurização térmica seguida em geral, pela conservação sob refrigeração. Porem, a maioria dos alimentos frescos, não pode ser submetida a pasteurização térmica, porque perderiam a condição de frescura. A utilização de doses medias de radiação, em torno de 4000Gy pode prolongar o período de vida da carne, pescados, mariscos, aves, etc.

Em processos de irradiação de alimentos é possível haver acidentes radioativos como o de Goiânia ou o de Chernobyl ?

Sobre a questão de acidentes, podemos informar que as instalações para irradiação de alimentos são seguras. Há sistemas próprios de controle de irradiação que não permitem que trabalhadores e o meio ambiente sejam prejudicados quando a fonte radioativa é exposta para irradiar os alimentos. Geralmente utiliza-se o Cobalto-60 e as fontes ficam mergulhadas em uma piscina própria, sendo expostas somente no momento de se irradiar os produtos.

Existe uma idéia generalizada de que cristais que tiveram suas cores modificadas por meio de irradiação podem continuar emitindo radiações, prejudicando assim a pessoa que venha a utilizar uma jóia com tal gema. Isso realmente acontece?

A Dra. Silvia Gorski msgorski@net.ipen.br, da Coordenadoria de Aplicações de Técnicas Nucleares responde a questão sobre se a pedra preciosa irradiada continua emitindo radiação e se prejudica quem a usa.

"Não. Existem vários tipos de radiações que podem ser utilizadas para indução e intensificação de cores em cristais: raios gama, feixe de elétrons não induzem radionuclídeos (elementos radioativos) na gema (pedra preciosa) devido ao tipo de interação nuclear que ocorre. Quando se utiliza nêutrons (no caso de topázios) é possível haver a indução de radionuclídeos mas as pedras só são liberadas para o público após o decaimento destes radionuclídeos, o que perfaz um tempo de aproximadamente dois anos."

O que é e para que serve um cíclotron?

Descrição geral de um cíclotron

O princípio de um cíclotron foi concebido por E.O.Lawrence, em 1929. A operação com sucesso da primeira máquina foi conseguida em 1931 por E.O.Lawrence e M.A. Livingston, para a aceleração de íons com alta energia, cujo objetivo era proporcionar bombardeamentos de núcleos atômicos. Ele é composto de dois eletrodos em forma de "D" ou "dês" dentro de uma câmara de vácuo, que estão entre os pólos de um grande eletroimã, o qual cria um campo magnético perpendicular a estes eletrodos. Os dois eletrodos ("dês") estão ligados a uma fonte de tensão alternada de alta frequência (RF), a qual cria um campo elétrico entre eles.

Quais os tipos de aços utilizados na indústria nuclear?

Esta questão é respondida pelo Prof. Dr. Arnaldo H. P. de Andrade aandrade@net.ipen.br, do Departamento de Metalurgia do ipen:

Alguns aços típicos que são utilizados na fabricação de equipamentos nucleares (para uma usina PWR, tipo Angra I, por exemplo) são:

Aços Ferríticos (baixa liga) tipo ASTM A508, A533, no Vaso de Pressão e no Gerador de Vapor

Aços Inoxidáveis Austeníticos, tipo 308, no revestimento do Vaso de Pressão

Aços Carbono, do tipo A515, nas placas-suporte do Gerador de Vapor

Aços Inoxidáveis Austeníticos, dos tipos 304 e 306, nas Tubulações do Sistema de Refrigeração Primário, nas Válvulas e Bombas deste sistema e nos tubos do Condensador

Aços Cr-Mo-V ou Cr-Ni-Mo nos Rotores e Disco do Gerador de Eletricidade

Aço Inoxidável do tipo 403 (martensítico) nas laminas (das turbinas) do Gerador

Além desses aços, os Aços Maraging (de elevada resistência mecânica e tenacidade à fratura) são utilizados na construção dos rotores das ultracentrífugas para enriquecimento de urânio.

O que são os elementos conhecidos como "Terras Raras" ?

O pesquisador Carlos Alberto da Silva Queiroz    cqueiroz@net.ipen.br, do Departamento de Engenharia Química, de nossa Diretoria de Materiais e Ciclo do Combustível, responde:

Denomina-se lantanídios o grupo de quinze elementos da tabela periódica compreendido do elemento de número atômico Z=57, lantânio, até o de Z=71, lutécio, sendo um deles artificial, Z=61, promécio.
Os elementos deste grupo possuem propriedades físicas e químicas bastante semelhantes. Outros dois elementos, o de Z=21, escândio, e o de Z=39, ítrio, geralmente ocorrem associados aos elementos lantanídicos, possuindo também propriedades semelhantes. Para o grupo de 17 elementos, incluidos o escândio e o ítrio, usa-se o termo "Terras Raras".

Terras Raras, porém, não constitui-se em uma expressão muito apropriada. Na realidade, os elementos são metais e não são raros. O termo deve-se ao pequeno conhecimento da época em que foram descobertos, final do século XVIII, quando chamavam de terras ao que hoje em dia denominamos óxidos e ainda não se conseguia transformar os óxidos de terras raras em metais.

De acordo com uma classificação arbitrária, costuma-se classificar as terras raras em:
Leves (do La ao Eu) e pesadas ( do Gd ao Lu).

Outras classificações ainda existem, como:
Grupo Cérico (do La ao Eu) e grupo ítrico (do Gd ao Lu, incluindo-se o ítrio).

Atualmente, são conhecidos mais de cem minerais contendo quantidades variáveis de terras raras.
O interesse econômico limita-se aqueles que apresentam maior concentração desses elementos, que, no entanto, são poucos. No Brasil há três minerais que podem ser considerados para a exploração industrial: monazita, xenotima e bastinazita.

O campo de aplicações das terras raras é amplo, apresentando muitas áreas que vêm sendo desenvolvidas dia a dia nos países industrializados, com destaque para os Estados Unidos, França, Japão, Alemanha e China, que já dominam a tecnologia de separação dos elementos das terras raras. Dentre essas áreas pode-se enfatizar: química de coordenação, compostos organo-metálicos, compostos luminescentes, catálise, química do estado sólido, química analítica e ambiental,
aplicações industriais, biologia e medicina. Laseres, fósforos, lentes de vidro, absorvedores de ultravioleta, magnetos permanentes, microondas, sensores, polimento de vidro, corantes de vidro, descolorantes de vidro, revestimentos de proteção, armazenadores de informação, condutores eletrônicos, catalizador de craqueamento e catalizador de oxidação constituem-se em algumas aplicações destes elementos.

No IPEN-CNEN/SP explora-se, há muito, a separação individual das terras raras, procurando atender com o produto a demanda interna em áreas de pesquisa e desenvolvimento de tecnologia. Hoje, com a aplicação do conhecimento acumulado, desenvolve-se a obtenção de óxidos de alto grau de pureza para uso como padrões primários de terras raras, procurando atingir o nível de padrões internacionais."

Qual a definição de oxidação?

Dra. Isolda Costa  icosta@net.ipen.br, da Supervisão de Materiais Metálicos do ipen, responde:

Oxidação é o termo empregado para designar a reação entre um metal e o ar ou oxigênio, na ausência de água ou de uma fase aquosa.
A oxidação também é algumas vezes chamada de corrosão a altas temperaturas. Em altas temperaturas, onde a água não é mais estável na fase líquida, a reação de metais com o meio ambiente não é simplesmente a combinação química direta em escala molecular do metal e oxigênio segundo:

M (s)  + 1/2O₂ (g) ----> MO (s)

mas  consiste de dois processos parciais, separados, a saber:

M (s) ----> M²⁺   +  2e        (oxidação do metal na interface metal-óxido)

1/2 O₂ + 2e   ---->  O^2-      (redução do oxidante na interface óxido-gás)
__________________

M (s)  +  1/2 O₂   (g) ----> M O (s)   (reação total)

com novo produto MO sendo produzido, seja na interface metal-óxido ou na interface óxido-gás.

A exploração do tório é monopólio estatal?

Dr. Paulo M. Figueiredo Filho pmiranda@net.ipen.br, chefe da Divisão de Engenharia de Processo, da Diretoria de Materiais e Ciclo do Combustível, responde:

O início do aproveitamento da areias monazíticas brasileira deu-se em 1886, quando o inglês John Gordon estabeleceu-se na jazida de Cumuruxatiba, no litoral sul do Estado da Bahia, município de Prado. A monazita (mineral de terras raras que contém urânio e tório) era processada na Europa para a produção de sais de tório e de terras raras, utilizados na fabricação de camisas incandescentes para a iluminação a gás. Com o advento da eletricidade, a partir da década de 20, houve um declínio no consumo de monazita, até que as pesquisas sobre energia atômica, na época da Segunda Grande Guerra, colocaram novamente a monazita em evidência devido ao seu conteúdo de tório (elemento fértil).

Em 1951 o governo brasileiro proibiu a exportação de concentrados de monazita e procurou despertar o interesse de empresas em processar quimicamente esse concentrado no país. Os sais de terras raras poderiam ser exportados, enquanto o tório seria retido no Brasil.

Em 1960 os direitos de lavra das jazidas de areias monazíticas foram adquiridos pela CNEN. Esses direitos são até hoje exercidos através das Indústrias Nucleares do Brasil S/A - INB para o abastecimento de matéria-prima na fabricação de sais de terras raras, sendo o tório estocado sob forma de hidróxido. Com a Lei 4118 de 27/08/62 passaram a constituir um monopólio da União a pesquisa e a lavra de minérios nucleares, tendo a CNEN, através da Resolução 01/63, classificado a monazita como mineral nuclear devido ao seu conteúdo de urânio e tório.

Em 1967 a resolução 06/67 da CNEN modificou resoluções anteriores, obrigando a dissolução de rejeitos radioativos (urânio e tório) contidos nos minerais, nos concentrados, ou em outro produto industrial, consequentemente, liberando do monopólio estatal as atividades de pesquisa e lavra das areias monazíticas.

O licenciamento de minas e usinas de beneficiamento que manuseiem como produto, subproduto ou rejeito, minerais de ou com urânio, tório ou outros radioativos, segue a norma CNEN - NE - 1.13 de 1989.

Existem salvaguardas para o tório, assim como existem para o urânio?

Dr. Paulo M. Figueiredo Filho pmiranda@net.ipen.br, chefe da Divisão de Engenharia de Processo, da Diretoria de Materiais e Ciclo do Combustível, responde:

Os materiais nucleares, incluindo o tório, estão sujeitos à Norma 2.02 da Comissão Nacional de Energia Nuclear - CNEN, que é o órgão fiscalizador nacional. Essa norma estabelece os princípios gerais e os requisitos básicos exigidos para o necessário controle para os casos de aquisição, posse, uso, produção e transferência de material nuclear.
Desta forma, os compostos de tório encontram-se sob Salvaguardas Nacional, cujas inspeções periódicas são realizadas pelo Serviço da Salvaguardas da Comissão Nacional de Energia Nuclear - CNEN / Rio de Janeiro.

Qual a diferença entre a ciência e a engenharia de materiais?

O Dr. Arnaldo H. Andrade aandrade@net.ipen.br, do Departamento de Engenharia de Materiais, responde:

A ciência dos materiais se ocupa em investigar as relações existentes entre as estruturas e as propriedades dos materiais. Por outro lado, a engenharia de materiais, baseando-se nestas correlações estrutura-propriedade, objetiva projetar a estrutura de um material para produzir um conjunto pré-determinado de propriedades.

Referência:

Material Science and Engineering: an Introduction
William D. Callister
John Wiley & Sons, Inc.

O que se entende por "estrutura" de um material?

O Dr. Arnaldo H. Andrade aandrade@net.ipen.br, do Departamento de Engenharia de Materiais, responde:

A estrutura de um material geralmente está relacionada ao arranjo de seus constituintes internos. A estrutura sub-atômica envolve os elétrons no interior os átomos individuais e as interações com seus núcleos. No nível atômico, a estrutura encompassa a organização dos átomos ou moléculas uns com relação aos outros. O grande campo estrutural seguinte, que contém grupos grandes de átomos que estão normalmente aglomerados juntos, é chamado "microscópico", significando que está sujeito à observação direta usando algum tipo de microscópio. Finalmente, elementos estruturais que podem ser observados a olho nu são chamados de "macroscópicos".

Referência:

Material Science and Engineering: an Introduction
William D. Callister
John Wiley & Sons, Inc.

O que se entende por "propriedades" de um material?

O Dr. Arnaldo H. Andrade aandrade@net.ipen.br, do Departamento de Engenharia de Materiais, responde:

Durante seu uso em serviço, todos os materiais são expostos a estímulos externos que provocam algum tipo de resposta. Por exemplo, uma amostra submetida à forças sofrerá deformação; ou uma superfície metálica polida refletirá a luz. Propriedade é uma característica do material função do tipo e magnitude de resposta a um estímulo específico imposto. Em geral, as definições de propriedades são feitas independentes da forma e tamanho do material.

Referência:

Material Science and Engineering: an Introduction
William D. Callister
John Wiley & Sons, Inc.

Quais as propriedades importantes de um material sólido?

O Dr. Arnaldo H. Andrade aandrade@net.ipen.br, do Departamento de Engenharia de Materiais, responde:

Praticamente todas as propriedades importantes dos materiais sólidos podem ser agrupadas em seis diferentes categorias: mecânica, elétrica, térmica, magnética, óptica e de degradação. Para cada uma delas existe um tipo característico de estímulo capaz de provocar respostas diferentes. As propriedades mecânicas relacionam a deformação à uma carga ou força aplicada; exemplos incluem o módulo de elasticidade e resistência. Para as propriedades elétricas, tais como a condutividade elétrica e a constante dielétrica, o estímulo é um campo elétrico. O comportamento térmico dos sólidos pode ser representado em termos da capacidade térmica e da condutividade térmica. As propriedades magnéticas demonstram a resposta de um material a aplicação de um campo magnético. Para as propriedades ópticas, o estímulo é a luz ou radiação eletromagnética; o índice de refração e a refletividade são propriedades ópticas representativas. Finalmente, as características de degradação indicam a reatividade química dos materiais.

Referência:

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John Wiley & Sons, Inc.

Quais as considerações a fazer na seleção de materiais?

O Dr. Arnaldo H. Andrade aandrade@net.ipen.br, do Departamento de Engenharia de Materiais, responde:

Na maioria das vezes, o problema no uso de materiais é aquele de selecionar o material certo entre os milhares que estão disponíveis. Existem diversos critérios com base nos quais uma decisão final é atingida. Em primeiro lugar, as condições de serviço devem ser caracterizadas pois elas ditarão as propriedades requeridas do material. Somente em ocasiões muito raras um material apresenta a uma combinação de propriedades máxima ou ideal. Portanto pode ser necessário fazer um compromisso de uma característica com outra. O exemplo clássico envolve resistência e ductilidade; normalmente um material tendo uma resistência elevada apresentará somente um ductilidade limitada. Uma segunda consideração no processo de seleção é qualquer deterioração das propriedades dos materiais que possam ocorrer em serviço. Por exemplo reduções significativas na resistência mecânica podem resultar da exposição a temperaturas elevadas ou ambientes corrosivos. Finalmente, a consideração prevalecente é aquela econômica: qual será o custo do produto acabado? Um material pode ser encontrado que apresente o conjunto ideal de propriedades mas seja proibitivamente caro. De novo aqui, algum compromisso é inevitável. O custo de uma peça acabada também inclui quaisquer despesas havidas durante a fabricação para produzir a forma desejada.

Referência:

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John Wiley & Sons, Inc.

Como os materiais sólidos são classificados?

O Dr. Arnaldo H. Andrade aandrade@net.ipen.br, do Departamento de Engenharia de Materiais, responde:

Os materiais sólidos tem sido agrupados de um modo conveniente em três classificações básicas: metais, cerâmicas e polímeros. Este esquema é baseado primariamente no arranjo químico e estrutura atômica, e a maioria dos materiais caem em um grupo destes, embora haja alguns intermediários. Além disso, existem dois outros importantes grupos de materiais de engenharia - compósitos e semicondutores.

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Que são metais?

O Dr. Arnaldo H. Andrade aandrade@net.ipen.br, do Departamento de Engenharia de Materiais, responde:

Os materiais metálicos são normalmente combinações de elementos metálicos. Eles apresentam um número grande de elétrons não localizados; quer dizer, estes elétrons não estão ligados a átomos particulares. Diversas das propriedades dos metais são atribuídas diretamente a estes elétrons. Metais são muito bons condutores de eletricidade e calor e não são transparentes à luz visível; uma superfície metálica polida apresenta uma aparência lustrosa. Além disso os metais são bastante resistentes, embora deformáveis, que justifica o seu uso extensivo em aplicações estruturais.

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Que são cerâmicas?

O Dr. Arnaldo H. Andrade aandrade@net.ipen.br, do Departamento de Engenharia de Materiais, responde:

Cerâmicas são compostos entre elementos metálicos e não metálicos; elas são mais frequentemente óxidos, nitretos e carbetos. A ampla faixa de materiais que caem nesta classificação inclui cerâmicas que são compostas de argila, cimento e vidro. Estes materiais são tipicamente isolantes à passagem de eletricidade e calor, e são mais resistentes à temperaturas elevadas e ambientes hostís que os metais e os polímeros. Com relação ao comportamento mecânico, as cerâmicas são duras mas muito frágeis.

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Que são polímeros?

O Dr. Arnaldo H. Andrade aandrade@net.ipen.br, do Departamento de Engenharia de Materiais, responde:

Os polímeros incluem materiais familiares como os plásticos e as borrachas. A maioria deles são compostos orgânicos que são baseados quimicamente no carbono, hidrogênio e outros elementos não metálicos; Além disso, eles apresentam estruturas moleculares muito grandes. Estes materiais tipicamente tem densidades baixas e podem ser extremamente flexíveis.

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Que são compósitos?

O Dr. Arnaldo H. Andrade aandrade@net.ipen.br, do Departamento de Engenharia de Materiais, responde:

Diversos materiais compósitos tem sido projetados consistindo de mais de um tipo de material. A fibra de vidro é um exemplo conhecido, no qual fibras de vidro são distribuidas dentro de um material polimérico. Um compósito é projetado par apresentar uma combinação das melhores características de cada material componente. A fibra de vidro adquire a resistência do vidro e a flexibilidade do polímero.

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Que são semicondutores?

O Dr. Arnaldo H. Andrade aandrade@net.ipen.br, do Departamento de Engenharia de Materiais, responde:

Os semicondutores apresentam propriedades elétricas que são intermediárias entre os condutores elétricos e os isolantes. Adicionalmente, as características elétricas destes materiais são extremamente sensíveis à presença de concentrações diminutas de átomos de impurezas, as quais devem ser controladas em regiões espaciais muito pequenas. Os semicondutores tornaram possível o advento dos circuitos integrados que têm revolucionado totalmente as indústrias eletrônica e de informática (para não mencionar nossas próprias vidas) nas últimas décadas.

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John Wiley & Sons, Inc.

Qual a relação entre energia, material e meio-ambiente?

O Dr. Arnaldo H. Andrade aandrade@net.ipen.br, do Departamento de Engenharia de Materiais, responde:

A preocupação da sociedade com energia é constante. Há uma necessidade visível de encontrar fontes novas e econômicas de energia e, além disso, usar os recursos presentes de modo mais eficiente. Os materiais indubitavelmente desempenharão um papel importante nestes desenvolvimentos. Por exemplo, a conversão direta da energia solar em elétrica tem sido demonstrada. As células solares empregam materiais de um certo modo complexos e caros. Para assegurar uma tecnologia viável, materiais que sejam altamente eficiente neste processo de conversão, embora menos custosos, precisam ser desenvolvidos. A energia nuclear continua promissora, mas a solução a muitos problemas pendentes necessariamente envolverão materiais, dos combustíveis às estruturas de contenção para as instalações de disposição dos rejeitos radioativos. Além disso, a qualidade ambiental depende de nossa habilidade de controlar a poluição do ar e da água. As técnicas de controle da poluição empregam diversos materiais. Mais ainda, os métodos de processamento e refino dos materiais necessitam ser melhorados de modo que produzam menos degradação ambiental, isto é, menos poluição e menos agressão ao ambiente de mineração das matérias primas. Quantidades significativas de energia estão envolvidas na área de transportes. A redução do peso dos veículos de transporte (automóveis, aviões, trens, etc.), bem como o aumento das temperaturas de operação do motor, melhorarão a eficiência do combustível. Novos materiais estruturais de resistência elevada e baixa densidade estão para ser desenvolvidos, assim como materiais que tenham uma capacidade de operação em altas temperaturas, para uso em componentes de motor. Diversos materiais em uso são derivados de fontes que são não-renováveis, isto é, não são capazes de ser regeneradas. Estes incluem os polímeros, para os quais a matéria prima é o petróleo, e alguns metais. Estes recursos não-renováveis estão graduamente tornando-se escassos, necessitando então ou da descoberta de reservas adicionais ou do desenvolvimento de novos materiais que apresentem propriedades comparáveis e um impacto ambiental menos adverso. Esta última alternativa é um desafio maior para o cientista e engenheiro de materiais.

Referência:

Material Science and Engineering: an Introduction
William D. Callister
John Wiley & Sons, Inc.

Quais são os novos materiais e para que servem ?

O Dr. Arnaldo H. Andrade aandrade@net.ipen.br, do Departamento de Engenharia de Materiais, responde:

Os novos materiais são aqueles não tradicionais, tais como:

*materiais compósitos de última geração,
*materiais poliméricos,
*ligas metálicas de alto desempenho (superligas, ligas magnéticas, aços de alta resistência, etc),
*novos compostos cerâmicos (supercondutores e outros),
*biomateriais, etc.

Servem para uma vasta gama de aplicações:

*indústrias automotiva e aeroespacial,
*medicina,
*indústria eletro-eletrônica e outras.

Qual a utilização dos materiais cerâmicos?

O Dr. Arnaldo H. Andrade    aandrade@net.ipen.br, do Departamento de Engenharia de Materiais responde:

Os materiais cerâmicos são usados onde é requerido:

*um bom isolamento térmico (refratário p/ fornos industriais, p.ex.),

*uma boa resistência mecânica em temperaturas elevadas (acima de 1200 C p. ex no revestimento dos shuttles espaciais),

*um material relativamente leve e resistente ao desgaste (peças automotivas, p.ex.)

*ou com uma aparência bonita (porcelana chinesa, p.ex.).

O Ciclo do Combustível Nuclear e o papel desempenhado pelo IPEN www.ipen.br

O urânio é uma fonte de energia que, como o carvão, o petróleo e o gás natural, deve ser processado através de uma série de etapas para produzir um combustível eficiente para uso na geração de eletricidade. Cada combustível tem o seu próprio ciclo do combustível diferenciado: contudo o urânio ou "o ciclo do combustível nuclear" é mais complexo que os outros.

Para preparar o urânio para uso num reator nuclear, ele é submetido às etapas de mineração e purificação www.ipen.br/m/mp/procdua.html, conversão a UF6 www.ipen.br/m/mp/procuf6.html, enriquecimento e fabricação do combustível. Estas etapas constituem o "front end" do ciclo do combustível nuclear.

Após o urânio ter sido usado num reator para produzir eletricidade, ele fica conhecido como "combustível queimado" e sofre uma série de etapas adicionais que podem incluir uma estocagem temporária, reprocessamento, reciclagem e disposição do combustível queimado ou resíduo. Coletivamente estas etapas são conhecidas como o "back end" do ciclo do combustível.

Agora vamos olhar brevemente as várias etapas que juntas constituem o Ciclo do Combustível Nuclear

Mineração e Beneficiamento

A quantidade média de Urânio existente na crosta terrestre é cerca de 4 gramas por tonelada de rocha, estando mais concentrada em alguns locais. O Urânio é extraído da crosta utilizando técnicas de mineração a céu aberto ("open pit") ou subterâneas, dependendo da profundidade na qual o minério é encontrado. Em média, os minérios de urânio contém de 10 a 30 kg por tonelada extraída.

Nas reservas brasileiras, o urânio está associado ao fosfato, na jazida de Itatiaia (CE), ao molibdênio e zircônio, em Poços de Caldas (MG) e ao molibdênio e carvão, em Figueiras (PR).

O minério de urânio retirado é enviado a um moinho que geralmente é localizado próximo à mina. No moinho o minério é triturado e moído até uma dispersão fina a qual é lixiviada em ácido sulfúrico para permitir a separação do urânio da rocha residual. Ele é então recuperado da solução e precipitado como um concentrado de óxido de urânio (U3O8). Algumas vezes este é conhecido como "yellow cake".

Cerca de 165 toneladas deste concentrado de urânio são requeridas para manter um reator de potência nuclear de porte grande (1000 MWe) gerando eletricidade por um ano.

O Brasil possui uma usina piloto de beneficiamento no IPEN/CNEN-SP e em escala industrial no Planalto de Poços de Caldas.

Conversão

Uma vez que o urânio necessita estar na forma de um gás antes que possa ser enriquecido, o U3O8 é convertido no gás hexafluoreto de urânio www.ipen.br/m/mp/procuf6.html (UF6) na usina de conversão www.ipen.br/m/mp/proc2.html.

O IPEN/CNEN-SP conseguiu desenvolver a tecnologia da conversão bem como a produção de flúor www.ipen.br/m/mp/procf2.html.

Enriquecimento Isotópico

A vasta maioria de todos os reatores nucleares de potência em operação e em construção requerem combustível de urânio "enriquecido" no qual o teor de U-235 foi aumentado do nível natural de 0,7% até cerca de 3 a 4 %. O processo de enriquecimento separa o hexafluoreto de urânio gasoso em dois feixes: Um feixe é enriquecido até aos níveis requeridos e passa então ao próximo estágio do ciclo do combustível. O outro feixe é empobrecido em U-235 e é chamado "resíduo". É predominantemente U-238. Portanto, pouco U-235 permanece nos resíduos (geralmente menos que 0.3%) que não apresentam mais utilidade para geração de energia, embora tal "urânio enriquecido" como um metal seja utilizado em diversas outras aplicações, devido a sua elevada densidade (é 1,7 mais denso que o chumbo).

As primeiras usinas de enriquecimento foram construídas nos EUA e usaram o processo de difusão gasosa, porém plantas mais recentes usam o processo de centrifugação. Este tem a vantagem de usar muito menos potência por unidade de enriquecimento e pode ser construído em unidades menores e mais econômicas. Pesquisas estão sendo realizadas no enriquecimento a laser, que parece ser uma nova e promissora tecnologia.

O processo de enriquecimento por ultracentrifugação foi alcançado pelo Brasil de maneira autônoma, sendo que as instalações em escala piloto já estão em funcionamento no Centro Experimental de Aramar, em Iperó/SP.

Um pequeno número de reatores, particularmente os CANDU canadenses e os reatores ingleses Magnox não necessetiam de enriquecimento do urânio.

Fabricação do Combustível

O UF6 enriquecido é transportado até uma usina de fabricação do combustível onde é convertido em pó de dióxido de urânio (UO2) é prensado em pequenas pastilhas cilíndricas ("pellets"). Estas pastilhas são inseridas em tubos finos, confeccionados geralmente de uma liga de zircônio (zircaloy) ou de aço inoxidável, para formarem varetas combustíveis que são então seladas e montadas em conjuntos que constituem o elemento combustível para uso no núcleo do reator.

Cada pastilha, que pesa 7 gramas, pode liberar energia equivalente a cerca de 1 tonelada de carvão.

Um reator de 1000 MWe necessita de cerca de 23 a 25 toneladas de combustível novo.

O Reator Nuclear

Algumas centenas de elementos combustíveis formam o núcleo do reator. Para um reator com uma potência de 1000 megawatts (MWe), o núcleo conteria cerca de 75 toneladas de urânio de baixo enriquecimento. No núcleo do reator o isótopo U-235 se fissiona ou divide-se, produzindo calor num processo contínuo denominado de reação em cadeia. O processo depende da presença de um moderador tal como a água ou grafite, e é totalmente controlado.

Parte do U-238 no núcleo do reator é convertido em plutônio e cerca de metade deste também é fissionável, fornecendo cerca de um terço da energia gerada pelo reator.

Como numa usina de geração de eletricidade que queima combustível fóssil, o calor é usado para produzir vapor para movimentar uma turbina e um gerador elétrico.

Para manter um desempenho eficiente do reator nuclear, cerca de um terço do combustível queimado é removido cada ano, e é substituído por combustível novo.

Estocagem do Combustível Queimado

Os elementos combustíveis queimados retirados do núcleo do reator são altamente radioativos e liberam muito calor. Por isso, eles são armazenados em "piscinas" especiais que estão geralmente localizadas no sítio do reator, de forma a permitir que tanto o seu calor como a radioatividade diminuam. A água nas piscinas serve o duplo propósito de agir como uma barreira contra a radiação e para dispersar o calor do combustível queimado.

O combustível queimado pode ser estocado com segurança nestas piscinas por períodos longos. Ele também pode ser armazenado a seco em instalações especiais. Contudo, cada tipo de armazenagem é entendida somente como uma etapa intermediária antes que o combustível queimado seja ou reprocessado ou enviado para disposição final.

Reprocessamento e Disposição de Resíduos

Há duas opções para o combustível queimado:

reprocessamento para recuperar a parte utilizável dele

estocagem por um período longo e disposição final

O combustível queimado ainda contém aproximadamente 96 por cento do urânio original, do qual o teor de U-235 fissionável foi reduzido a menos que 1 por cento. Cerca de 3 por cento do combustível queimado compreende produtos residuais e o 1 por cento restante é plutônio (Pu) produzido enquanto o combustível estava no reator.

O Reprocessamento separa o urânio e o plutônio dos produtos residuais (e do revestimento do elemento combustível), seccionando as varetas combustíveis e dissolvendo os pedaços em ácido para separar os vários materiais. O urânio recuperado pode ser retornado à usina de conversão para a reconversão para hexafluoreto de urânio e subsequentemente reenriquecido. O plutônio grau reator pode ser misturado com urânio enriquecido para produzir um combustível de óxido misto (MOX), numa usina de fabricação de combustível.

A fabricação de combustível MOX ocorre em cinco instalações na Bélgica, França, Alemanha e no Reino Unido, e duas mais estão em construção. Já existe mais de vinte anos de experiência neste tipo de combustível e a primeira planta de grande escala, Melox, iniciou a sua operação na França em 1995. Na Europa cerca de 30 reatores estão licenciados para utilizar o combustível MOX em 20 a 50% de seus núcleos.

Os restantes 3 por cento do resíduo radioativo de alta atividade (cerca de 700 kg por ano num reator de 1000 MWe) podem ser armazenados indefinidamente na forma líquida e posteriormente solidificados.

O Reprocessamento do combustível queimado ocorre em sete instalações no Reino Unido e França com capacidade de mais de 3500 toneladas por ano e experiência civil acumulada de 50000 toneladas em mais de 35 anos.

A tecnologia do reprocessamento vem sendo desenvolvida em escala de laboratório no IPEN-CNEN/SP

Vitrificação

Após reprocessamento o resíduo líquido de alta atividade pode ser calcinado (fortemente aquecido) para produzir um pó seco que é incorporado em vidro borosilicatado (Pyrex) para imobilizar o resíduo. O vidro é então vazado em conteineres de aço inoxidável, cada um com capacidade para 400 kg de vidro. O resíduo de um ano de um reator de 1000 MWe fica contido em 5 toneladas de tal vidro, ou cerca de 12 containers com altura de 1,3 metros e diâmetro de 0,4 metros. Estes podem ser prontamente transportados e armazenados, com blindagem apropriada.

A Vitrificação de resíduo de alta atividade ocorre em 5 instalações na Bélgica, França e no Reino Unido com capacidade de 2500 conteineres (1000 toneladas) por ano e experiência operacional de mais de 16 anos.

Esta etapa é a máxima atingida pelo ciclo do combustível nuclear no presente. A disposição final de resíduos vitrificados de alta atividade, ou a disposição final de combustível queimado não reprocessado ainda não está ocorrendo.

Disposição Final

Alguns países acreditam que a disposição final de resíduos radioativos de alta atividade e/ou do combustível queimado deva ser postergada tanto quanto possível. Outros pretendem introduzir a disposição final em algum período após o ano 2000, quando as quantidades a serem dispostas serão suficientes para torná-la econômicamente justificável.

Os planos mais amplamente aceitos são para enterrar os resíduos vitrificados de alta atividades selados em conteires de aço inoxidável, ou de encapsular as varetas de combustível queimado em metais resistentes à corrosão tais como o cobre ou chumbo, e estes serem enterrados em profundidade no subsolo, em estruturas rochosas estáveis. Formações geológicas estáveis e secas tais como o granito, a lava vulcânica, e algumas outras parecem adequadas. A primeira disposição permanente é esperada ocorrer em torno de 2010.

CDTN Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear www.cdtn.br

IPEN Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares www.ipen.br

IRD Instituto de Radioproteção e Dosimetria www.ird.gov.br

CRCN Centro Regional de Ciências Nucleares www.cnen.gov.br/crcn/index.htm

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