Usina Nuclear ou Planta de Energia Nuclear

Podemos gerar energia elétrica por meio de energia nuclear. Em uma estação de energia nuclear, a energia elétrica é gerada por reação nuclear. Aqui, elementos radioativos pesados como Urânio (U235) ou Tório (Th232) são submetidos à fissão nuclear. Esta fissão é realizada em um aparelho especial chamado reator.

O que é fissão nuclear?

No processo de fissão, os núcleos de átomos radioativos pesados são divididos em duas partes quase iguais. Durante esta divisão dos núcleos, uma quantidade enorme de energia é liberada. Essa liberação de energia é devida a um defeito de massa. Isso significa que a massa total do produto inicial seria reduzida durante a fissão. Essa perda de massa durante a fissão é convertida em energia térmica conforme a famosa equação estabelecida por Albert Einstein.

O princípio básico de uma estação de energia nuclear é o mesmo de uma estação de energia térmica convencional. A única diferença é que, em vez de usar o calor gerado pela combustão do carvão, aqui, em uma usina nuclear, o calor gerado pela fissão nuclear é usado para produzir vapor da água na caldeira. Este vapor é usado para acionar uma turbina a vapor.

Esta turbina é o motor principal do alternador. Este alternador gera energia elétrica. Embora a disponibilidade de combustível nuclear não seja muito grande, uma quantidade muito pequena de combustível nuclear pode gerar uma quantidade enorme de energia elétrica.

Esta é a característica única de uma usina nuclear. Um kg de urânio é equivalente a 4500 toneladas métricas de carvão de alta qualidade. Isso significa que a fissão completa de 1 kg de urânio pode produzir tanta energia quanto a que pode ser produzida pela combustão completa de 4500 toneladas métricas de carvão de alta qualidade.

Por isso, embora o combustível nuclear seja muito mais caro, o custo do combustível nuclear por unidade de energia elétrica ainda é menor do que o custo de energia gerada por meio de outros combustíveis, como carvão e diesel. Para enfrentar a crise de combustíveis convencionais na era atual, as estações de energia nuclear podem ser as alternativas mais adequadas.

Vantagens de uma Estação de Energia Nuclear

1. Como dissemos, o consumo de combustível nesta estação de energia é bastante baixo e, portanto, o custo para gerar uma unidade de energia é bem menor do que outros métodos convencionais de geração de energia. A quantidade de combustível nuclear necessária também é menor.

2. Uma estação de energia nuclear ocupa um espaço muito menor em comparação com outras estações de energia convencionais de mesma capacidade.

3. Esta estação não requer muita água, portanto, não é essencial construir a planta perto de fontes naturais de água. Além disso, não requer uma grande quantidade de combustível, portanto, também não é essencial construir a planta perto de uma mina de carvão ou de um local onde existam boas instalações de transporte. Por causa disso, a estação de energia nuclear pode ser estabelecida muito próxima ao centro de carga.

4. Há grandes depósitos de combustível nuclear no mundo, portanto, tais plantas podem garantir o fornecimento contínuo de energia elétrica pelos próximos milhares de anos.

Desvantagens de uma Usina de Energia Nuclear

1. O combustível não é facilmente disponível e é muito caro.

2. O custo inicial de construção de uma estação de energia nuclear é bastante alto.

3. A montagem e a comissão desta planta são muito mais complexas e sofisticadas do que outras estações de energia convencionais.

4. Os subprodutos da fissão são radioativos por natureza e podem causar alta poluição radioativa.

5. O custo de manutenção é mais alto e a mão de obra necessária para operar uma usina nuclear é consideravelmente maior, pois são necessárias pessoas treinadas especializadas.

6. As flutuações súbitas de carga não podem ser atendidas eficientemente pelas usinas nucleares.

7. Como os subprodutos das reações nucleares são altamente radioativos, é um grande problema a disposição desses subprodutos. Eles só podem ser descartados profundamente no solo ou no mar, longe da costa.

Diferentes Componentes de uma Estação de Energia Nuclear

Uma estação de energia nuclear tem principalmente quatro componentes.

1. Reator nuclear

2. Troca de calor

3. Turbina a vapor

4. Alternador

Vamos discutir esses componentes um por um:

Reator Nuclear

Em um reator nuclear, o Urânio 235 é submetido à fissão nuclear. Ele controla a reação em cadeia que começa quando a fissão é feita. A reação em cadeia deve ser controlada, caso contrário, a taxa de energia liberada será rápida, havendo uma alta chance de explosão. Na fissão nuclear, os núcleos do combustível nuclear, como U235, são bombardeados por um fluxo lento de nêutrons. Devido a este bombardeio, os núcleos de Urânio são quebrados, o que causa a liberação de uma enorme quantidade de energia térmica e, durante a quebra dos núcleos, vários nêutrons também são emitidos.

Estes nêutrons emitidos são chamados de nêutrons de fissão. Estes nêutrons de fissão causam uma fissão adicional. A fissão adicional cria mais nêutrons de fissão, que novamente aceleram a velocidade da fissão. Este é um processo cumulativo.

Se o processo não for controlado, em um período muito curto de tempo, a taxa de fissão se tornará tão alta que liberará uma quantidade imensa de energia, podendo haver uma explosão perigosa. Esta reação cumulativa é chamada de reação em cadeia. Esta reação em cadeia só pode ser controlada removendo os nêutrons de fissão do reator nuclear. A velocidade da fissão pode ser controlada alterando a taxa de remoção de nêutrons de fissão dos reatores.

Um reator nuclear é um vaso de pressão cilíndrico. As barras de combustível são feitas de combustível nuclear, ou seja, Urânio, moderadores, que geralmente são feitos de grafite, cobrem as barras de combustível. Os moderadores desaceleram os nêutrons antes da colisão com os núcleos de urânio. As barras de controle são feitas de cádmio, pois o cádmio é um forte absorvedor de nêutrons.

As barras de controle são inseridas na câmara de fissão. Essas barras de cádmio podem ser empurradas para baixo e puxadas para cima conforme necessário. Quando essas barras são empurradas o suficiente, a maioria dos nêutrons de fissão é absorvida por elas, interrompendo a reação em cadeia. Novamente, quando as barras de controle são puxadas, a disponibilidade de nêutrons de fissão aumenta, o que aumenta a taxa de reação em cadeia.

Portanto, fica claro que ajustando a posição das barras de controle, a taxa de reação nuclear pode ser controlada e, consequentemente, a geração de energia elétrica pode ser controlada conforme a demanda de carga. Na prática, o empurrar e puxar das barras de controle é controlado por um sistema de feedback automático conforme a necessidade da carga. Não é controlado manualmente. O calor liberado durante a reação nuclear é levado ao trocador de calor por meio de um refrigerante composto de metal sódio.

Troca de Calor

No trocador de calor, o calor transportado pelo sódio metálico é dissipado na água, e a água é convertida em vapor de alta pressão aqui. Após liberar o calor na água, o refrigerante de sódio metálico retorna ao reator por meio de uma bomba de circulação de refrigerante.

Turbina a Vapor

Em uma usina nuclear, a turbina a vapor desempenha o mesmo papel que em uma usina de carvão. O vapor impulsiona a turbina da mesma maneira. Após realizar seu trabalho, o vapor de exaustão entra em um condensador de vapor, onde é condensado para proporcionar espaço ao vapor atrás dele.

Alternador

Um alternador, acoplado a uma turbina, gira e gera energia elétrica, para utilização. A saída do alternador é entregue às