A descoberta do nêutron e o desenvolvimento dos reatores nucleares
08-11-2015 19:25
No início do século XX muitas novas descobertas culminaram em grandes invenções por parte da humanindade. O conhecimento da estrutura da matéria foi melhor compreendido com a matematização de uma "nova" teoria física que surgia no início daquele século. As noções de mecânica quântica propiciaram um ambiente favorável ao aprimoramento de modelos nucleares. Um ponto marcante na história foi a descoberta do nêutron, partícula massiva de carga elétrica nula que se encontra unida aos prótons no núcleo de um átomo.
Até o início dos anos 1900 a academia na Alemanha era formada apenas por homens. Em 1926 a primeira mulher foi contratada como docente na Universidade de Berlim. Lise Meitner foi a grande responsável pela descoberta do nêutron. Essa informação foi divulgada apenas na década de 80, cerca de cinquenta anos após a descoberta. Esse pedaço da história foi mascarado e até hoje ensina-se que a partícula nuclear de carga nula foi descoberta por James Chadwick, físico inglês que recebeu o prêmio Nobel de Física em 1935 por esta descoberta. (Por que você acha que isso acontece?)
Com a descoberta do Nêutron por Lise Meitner, os físicos logo começaram a realizar experimentos nos quais bombardeavam núcleos atômicos com nêutrons. Perceberam que ao fazer isso aumentavam a massa nuclear e consequentemente, pela igualdade proposta por Albert Einstein (E=m.c²), sua energia. Perceberam também que alguns desses nêutrons se transformavam em um próton, liberando uma grande quantidade de energia no processo. Além disso, essa transformação causava uma mutação no elemento químico alvo. Dessa forma, descobriram que ao bombardear núcleos de urânio com nêutrons, recuperavam traços de elementos mais leves, como o Bário.
Foi em 1944 que o alemão Otto Hahn recebeu o prêmio Nobel de Química pela descoberta da Fissão Nuclear, processo no qual um núcleo, ao ser bombardeado por nêutrons, se fissiona em núcleos menores (normalmente em 2 outros núcleos, com proporção de massa 60% e 40% do valor original). Nessa mesma época o mundo se encontrava diante da Segunda Guerra Mundial e a declaração, em 1939, do Físico Italiano Enrico Fermi ao então presidente dos Estados Unidos da América Franklin D. Roosevelt de que seria possível obter uma grande quantidade de energia através de processos de fissão o fez aumentar consideravelmente o financiamento em pesquisas relacionadas. [Ver arquivo anexo] [Ver arquivo traduzido]
De acordo com os cálculos feitos na época, seria possível fissionar núcleos de Urânio, Tório e Plutônio. Os físicos contratados pelo presidente Roosevelt no Projeto Manhattan se concentraram no Urânio e no Plutônio. O primeiro pode ser encontrado na natureza, porém nem todo o urânio que obtemos na mineração pode ser fissionado. Na verdade, 0,75% do Urânio natural é físsil. Sendo assim, um dos desafios daquele grupo de físicos era aprimorar processos através dos quais pudessem aumentar a proporção de urânio físsil dentro de uma amostra obtida da natureza. Atualmente conhecemos esse processo por Enriquecimento de Urânio. O outro foco era obter o Plutônio, elemento esse que existia nos primórdios do universo e, devido ao seu baixo tempo de meia-vida para decaimento radioativo, não pode mais ser encontrado naturalmente. Nesse momento foi criado o primeiro Reator Nuclear construído pela humanidade: Chicago Pile-1. O que se fazia principalmente era transmutar o Urânio em Plutônio por meio de bombardeamento de nêutrons. Entretanto, a existência do reator Chicago Pile-1 foi essencial para a construção dos atuais 437 reatores operáveis no mundo.
De acordo com a classificação atual, Chicago Pile-1 seria considerado um Reator de Pesquisa, ou seja, um reator nuclear em que não há preocupação com a conversão de energia térmica gerada pelas fissões em energia elétrica, mas em que se estudam processos experimentais vinculados à física nuclear: de validação de modelos teóricos a aprimoramento de tecnologia estrutural e computacional. No caso de reatores operados com o intuito de obtenção de energia elétrica, a classificação os considera como Reatores de Potência.
Atualmente, no Brasil, os reatores IPEN/MB-01, IEA-R1, Argonauta e IPR-R1 operam como Reatores de Pesquisa. Já Angra I e Angra II são Reatores de Potência. Construído dentro de uma cooperação entre cientistas da academia e da marinha brasileira, o reator IPEN/MB-01, localizado no Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares na cidade de São Paulo, foi o primeiro Reator Nuclear inteiramente construído com tecnologia brasileira. Seu uso é de extrema importância para o aprimoramento da tecnologia nuclear no país, já tendo sido utilizado como instrumento por diversos pesquisadores de mestrado e doutorado, além de oferecer capacitação técnica aos funcionários que atualmente operam as usinas de Angra I e Angra II.
A potência de operação do IPEN/MB-01 é mundialmente conhecida por Potência Zero, pois sua máxima potência de operação é de 100W, sete ordens de grandeza menor que Angra II, por exemplo. O reator IPR-R1, localizado em Belo Horizonte, opera a 250kW de potência máxima. O argonauta, localizado no Rio de Janeiro, opera a 500W. Nosso quarto reator de pesquisa, o IEA-R1, localizado em São Paulo, opera a 5MW de potência. Já Angra I e II operam, respectivamente, a 642MW e 1348MW.
O núcleo de um reator pode ser entendido como um meio multiplicador de nêutrons, isto é, quando fazemos nêutrons incidirem em materiais físseis, através do uso de uma fonte neutrônica, haverá absorção de alguns desses nucleons pelo material que compõe o núcleo (barras, varetas), porém se o nêutron fissionar um núcleo são produzidos, em média, 2,34 nêutrons.
Para nos referirmos a respeito do crescimento ou não da população neutrônica no núcleo de um reator utilizamos o conceito de criticalidade. Se a população de nêutrons cresce, o reator é considerado supercrítico. Caso a população se mantenha constante, isto é, absorção = produção, dizemos que o reator se mantém crítico. Por último, um reator cuja absorção de nêutrons seja maior do que a produção é considerado subcrítico.
A situação ideal para operação de um reator nuclear é a condição em que este se mantém crítico. O aumento da população de nêutrons é indesejável, pois a potência do reator será aumentada juntamente com os nêutrons, o que pode culminar em uma perda no controle por parte dos funcionários. A condição de subcriticalidade também é indesejável, pois eventualmente as fissões serão cessadas, sem que o operador o queira.
