Como funciona uma usina de energia nuclear?

A energia Tomic teve uma história mista no meio século ou assim desde a primeira nuclear comercial do mundo usina abriu em Calder Hall (agora Sellafield ), em Cumbria, Inglaterra, em 1956. Enormes quantidades de mundo de energia produzidos a partir de átomos desde , mas em meio a enorme controvérsia. Algumas pessoas acreditam que a energia nuclear é um meio vital para combater as mudanças climáticas ; outros insistem que é sujo, perigoso, antieconómico e desnecessário. De qualquer maneira, ajuda se você entender o que é energia nuclear e como ela funciona – então vamos esquecer a política por um momento e dar uma olhada mais de perto na ciência.

O que é energia atômica?

Não é imediatamente óbvio, mas prédios altos armazenam energia – energia potencial. Você tem que trabalhar duro para erguer tijolos e outros materiais de construção do chão para a posição correta e, contanto que eles permaneçam onde você os coloca, eles podem armazenar essa energia indefinidamente. Mas um edifício alto e instável tende a desmoronar mais cedo ou mais tarde e, quando isso acontece, os materiais de onde foi construído desabam no chão, liberando sua energia potencial armazenada como calor , som e energia cinética (o tijolos podem cair na sua cabeça!).

Átomos (os blocos de construção da matéria) são praticamente os mesmos. Alguns átomos grandes são muito estáveis ​​e muito felizes de permanecer, pois são praticamente para sempre. Mas outros átomos existem em formas instáveis ​​chamadas isótopos radioativos . Eles são equivalentes atômicos de edifícios antigos e vacilantes: mais cedo ou mais tarde, eles estão prestes a desmoronar, dividindo-se em pedaços como um grande prédio caindo no chão e liberando energia no caminho. Quando átomos grandes se dividem em um ou mais átomos menores, liberando outras partículas e energia no processo, chamamos isso de fissão nuclear . Isso porque a parte central do átomo (o núcleo) é o que quebra e a fissão é outra palavra para se separar. Fissão nuclear pode acontecer espontaneamente, no qual nós o chamamos de decaimento radioativo(a conversão de isótopos radioativos instáveis ​​em átomos estáveis ​​que não são radioativos). Também pode acontecer com a demanda – que é como obtemos energia de átomos em usinas nucleares. Esse tipo de fissão é chamado de reação nuclear.

Quanta energia um átomo pode produzir?

Uma quantidade surpreendentemente grande! Foi isso que o físico Albert Einstein quis dizer quando escreveu esta simples e agora famosa equação:

E = mc 2

Se E é energia, m é massa (a palavra científica para o material comum ao nosso redor) e c é a velocidade da luz, a equação de Einstein diz que você pode transformar uma pequena quantidade de massa em uma enorme quantidade de energia. Por quê? Olhando para a matemática, c é um número realmente grande (300.000.000), então c 2 é ainda maior: 90.000.000.000.000.000. Isso é quantos joules (a medida padrão de energia) você obteria de um quilograma de massa. Em teoria, se você pudesse transformar cerca de sete bilhões de átomos de hidrogênio completamentepara a energia, você obteria cerca de um joule (que é tanto energia quanto uma lâmpada de 10 watts consome em um décimo de segundo). Lembre-se, porém, estes são apenas palpites, números calculados. O único ponto que realmente precisamos notar é o seguinte: como há bilhões e bilhões de átomos em uma minúscula especificação de matéria, deveria ser possível obter muita energia de não muito. Essa é a ideia básica por trás da energia nuclear.

Na prática, as usinas nucleares não funcionam obliterando completamente os átomos; em vez disso, eles dividem átomos muito grandes em átomos menores, mais fortemente ligados e mais estáveis. Isso libera energia no processo – energia que podemos aproveitar. De acordo com uma regra básica da física chamada lei da conservação de energia , a energia liberada em uma reação de fissão nuclear é igual à massa total do átomo original (e toda a energia que o mantém unida) menos a massa total dos átomos se divide (e toda a energia que os mantém juntos). Para uma explicação mais detalhada de por que as reações nucleares liberam energia e quanto elas podem liberar, veja a energia de ligação do artigo na Hyperphysics.

O que é uma reação em cadeia?

E se você pudesse fazer vários átomos se dividirem um após o outro? Em teoria, você pode fazer com que liberem uma enorme quantidade de energia. Se quebrar bilhões de átomos soa como um chato real (como quebrar bilhões de ovos para fazer uma omelete), há mais uma coisa útil que ajuda: alguns isótopos radioativos vão se dividir automaticamente no que é chamado de reação em cadeia , produzindo energia para praticamente o tempo que você quiser.

Suponha que você tome um átomo realmente pesado – um tipo estável de urânio chamado urânio-235. Cada um dos seus átomos tem um núcleo com 92 prótons e 143 nêutrons. Dispara um nêutron no urânio-235 e transforma-o em urânio-236: uma versão instável do mesmo átomo (um isótopo radioativo do urânio) com 92 prótons e 144 nêutrons (lembre-se de que você disparou mais um). O urânio-236 é instável demais para ficar por muito tempo, então ele se divide em dois átomos muito menores, bário e criptônio, liberando bastante energia e disparando três nêutrons de reserva ao mesmo tempo.

Agora, o mais brilhante é que os nêutrons de reserva podem colidir com outros átomos de urânio-235, fazendo-os também se separarem. E quando cada um desses átomos se divide, também produzirá nêutrons de reserva. Assim, uma única fissão de um único átomo de urânio-235 rapidamente se torna uma reação em cadeia – uma avalanche nuclear descontrolada que libera uma enorme quantidade de energia na forma de calor.

Qual é a diferença entre uma usina nuclear e uma bomba nuclear?

Em uma bomba nuclear, a reação em cadeia não é controlada, e é isso que torna as armas nucleares tão terrivelmente destrutivas. Toda a reação em cadeia acontece em uma fração de segundo, com um átomo dividido produzindo dois, quatro, oito, dezesseis e assim por diante, liberando uma enorme quantidade de energia num piscar de olhos. Nas usinas nucleares, as reações em cadeia são controladas com muito cuidado, de modo que elas prosseguem a uma taxa relativamente lenta, apenas o suficiente para se sustentarem, liberando energia de forma muito constante durante um período de muitos anos ou décadas. Não há reação em cadeia descontrolada e descontrolada em uma usina nuclear.