Um reator nuclear (AO 1945: reactor nuclear) é uma câmara de resfriamento hermética, blindada contra a radiação, onde é controlada uma reação nuclear para a obtenção de energia, produção de materiais fissionáveis como o plutônio para armamentos nucleares, propulsão de submarinos e satélites artificiais ou para pesquisas. Uma central nuclear pode conter vários reatores. Atualmente apenas os reatores nucleares de fissão são empregados para a produção de energia comercial, porém os reatores nucleares de fusão estão sendo empregados em fase experimental.
De uma forma simples, as primeiras versões de reator nuclear produzem calor dividindo átomos, diferentemente das estações de energia convencionais, que produzem calor queimando combustível. O calor produzido serve para ferver água, que irá fazer funcionar turbinas a vapor para gerar electricidade.
Um reator produz grandes quantidades de calor e intensas correntes de radiação neutrónica e gama. Ambas são mortais para todas as formas de vida mesmo em quantidades pequenas, causando doenças, leucemia e, por fim, a morte. O reactor deve estar rodeado de um espesso escudo de cimento e aço, para evitar fugas prejudiciais de radiação. As matérias radioactivas são manejadas por controle remoto e armazenadas em contentores de chumbo, um excelente escudo contra a radiação.
Reator nuclear de fissão
Num reactor nuclear de fissão utiliza-se o urânio natural, na maior parte dos casos - uma mistura de U-238 e de U-235 - por vezes enriquecido com extra U-235. O U-238 tem tendência para absorver os nêutrons (português brasileiro) ou neutrões (português europeu) de alta velocidade originados pela divisão dos átomos U-235, mas não absorve nêutrons lentos tão rapidamente. Assim, num reactor é incluída uma substância moderadora que, juntamente com o urânio, abranda os nêutrons. O U-238, por sua vez, já não os absorve tão facilmente e a fissão continua.
Um reator nuclear de fissão apresenta, essencialmente, as seguintes partes:
Combustível: isótopo físsil e/ou fértil (aquele que pode ser convertido em físsil por ativação neutrônica): Urânio-235, Urânio-238, Plutônio-239, Tório-232, ou misturas destes (o combustível típico atualmente é o MOX, mistura de óxidos de urânio e plutônio).
Moderador: água leve, água pesada, hélio, grafite, sódio metálico: cumprem a função de reduzir a velocidade dos neutrões produzidos na fissão, para que possam atingir outros átomos fissionáveis mantendo a reação.
Refrigerador: água leve, água pesada, dióxido de carbono, hélio, sódio metálico conduzem o calor produzido durante o processo até a turbina geradora de eletricidade ou o propulsor.
Refletor (água leve, água pesada, grafite, urânio): reduz o escapamento de nêutrons aumentando a eficiên
cia do reator.Blindagem (concreto, chumbo, aço, água leve): evita o escapamento de radiação gama e nêutrons rápidos. Material de controlo (cádmio ou boro): finaliza a reação em cadeia, pois ambos são óptimos absorventes de nêutrons. Geralmente são usados na forma de barras (de aço borado, por exemplo) ou bem dissolvidos no refrigerador.
Elementos de Segurança: todas as centrais nucleares de fissão apresentam múltiplos sistemas de segurança ativos (que respondem a sinais elétricos) e passivos (que atuam de forma natural como a gravidade, por exemplo). A contenção de betão (português europeu) ou concreto (português brasileiro) que rodeia os reactores é o principal sistema de segurança e destina-se a evitar que ocorra vazamento de radiação para o exterior.
O núcleo do reactor é construído dentro de um forte recipiente de aço que contém varetas de combustível feitas de materiais cindíveis (físseis) metidos dentro de tubos. Essas varetas produzem calor enquanto o combustível sofre a cisão (fissão). Varetas de controlo, geralmente de boro ou cádmio - para absorver facilmente os nêutrons -, são introduzidas e retiradas do núcleo, conforme a necessidade de estabilizar a reacção, variando a corrente de neutrões no núcleo, controlando o ritmo de cisão e, portanto, o calor produzido. As varetas estão rodeadas por um moderador, que reduz a velocidade a que os nêutrons são produzidos pelo combustível. Percorrendo o núcleo corre um refrigerante, líquido ou gasoso, que, ao ser aquecido pelo calor libertado, gera vapor de água que será canalizado para turbinas.
Tipos de reatores de fissão
Atualmente existem vários tipos de reatores nucleares de fissão:
LWR - Light Water Reactors: Utilizam como refrigerante e moderador a água leve (água comum) e, como combustível, o urânio enriquecido. Os mais utilizados são os BWR (Boiling Water Reactor ou reator de água em ebulição ) e os PWR (Pressure Water Reactor ou reatores de água a pressão), estes últimos considerados atualmente como padrão. Em 2001 existiam 345 em funcionamento.
CANDU - Canada Deuterium Uranium: Utilizam como moderador água pesada (cuja molécula é composta por dois átomos de deutério e um átomo de oxigênio) e, como refrigerante, água comum (água leve). Como combustível, usam urânio comum. Existiam 34 em operação em 2001.
FBR - Fast Breeder Reactors: Utilizam nêutrons rápidos no lugar de térmicos para o processo da fissão. Como combustível utilizam plutônio e, como refrigerante, sódio líquido. Este reator não necessita de moderador. Em 2001 havia apenas quatro deles em operação .
HTGR - High Temperature Gás-cooled Reactor: Usa uma mistura de tório e urânio como combustível. Como refrigerante, utiliza o hélio e, como moderador, grafite. Existiam 34 em funcionamento em 2001.
RBMK - Reactor Bolshoy Moshchnosty Kanalny: Sua principal função é a produção de plutônio, e como subproduto gera eletricidade. Utiliza grafite como moderador, água como refrigerante e urânio enriquecido como combustível. Pode recarregar-se durante o funcionamento. Apresenta um coeficiente de reatividade positivo. Em 2001, existiam 14 desses reatores em funcionamento .
ADS - Accelerator Driven System: Utiliza uma massa subcrítica de tório. A fissão é produzida pela introdução de nêutrons no reator de partículas através de um acelerador de partículas. Ainda se encontra em fase de experimentação, e uma de suas funções fundamentais será a eliminação de resíduos nucleares produzidos em outros reatores de fissão.
Produção de combustível
Alguns tipos de reatores podem efetivamente produzir mais combustível que aquele que consomem. Trata-se do reactor rápido. Não tem moderador e o seu combustível é altamente enriquecido: urânio ou plutônio. O núcleo é pequeno e a reação em cadeia processa-se rapidamente, produzindo maiores quantidades de calor do que nos outros reatores «termais». São produzidas grandes quantidades de nêutrons, imediatamente absorvidos por um cobertor de urânio 238 colocado em redor do núcleo. Isto não causa cisão no urânio, mas o converte em plutônio 239, que pode depois ser separado e utilizado como combustível no reator rápido. Desta maneira, o reactor rápido produz combustível à medida que o consome. Convertendo urânio 238 não cindível (fissionável) num combustível útil, o reator rápido poderia prolongar as reservas de combustível nuclear do mundo em cerca de sessenta vezes.
PARTE 2