Energia nuclear

A reação nuclear é a modificação da composição do núcleo atômico de um elemento, podendo transformar-se em outro ou outros elementos. Esse processo ocorre espontaneamente quando não acontece metamorfose em alguns elementos. O caso mais interessante é a possibilidade de provocar a reação mediante técnicas de bombardeamento de nêutrons ou outras partículas. Existem duas formas de reações nucleares: a fissão nuclear, onde o núcleo atômico subdivide-se em duas ou mais partículas; e a fusão nuclear, na qual ao menos dois núcleos atômicos se unem para formar um novo núcleo.

Ernest Rutherford, o descobridor do núcleo atômico, estava fazendo pesquisas sobre a configuração do átomo em livros de uma biblioteca, e descobriu, através do uso dos raios catódicos, que estes poderiam ser modificados através de bombardeamento com partículas rápidas. Com a descoberta do nêutron ficou claro que deveriam existir muitas possibilidades dessas modificações. Enrico Fermi suspeitava que o núcleo ficaria cada vez maior acrescentando nêutrons. Ida Noddack foi a primeira a suspeitar que "durante o bombardeamento de núcleos pesados com nêutrons, estes poderiam quebrar-se em pedaços grandes, que são isótopos de elementos conhecidos, mas não vizinhos dos originais na tabela periódica". A fissão nuclear foi descoberta por Otto Hahn e Fritz Straßmann em Berlim-1938 e explicada por Lise Meitner e Otto Frisch (ambos em exílio na Suécia) logo depois, com a observação de uma fissão nuclear depois da irradiação de urânio com nêutrons (ver: projeto de energia nuclear alemão).

A energia elétrica gerada por uma fonte nuclear é obtida a partir do calor da reação do urânio. A queima[nota 1] do combustível produz calor que ferve a água de uma caldeira transformando-a em vapor. O vapor movimenta uma turbina que dá partida a um gerador elétrico que produz a eletricidade. A animação esquematiza esta sequência: Nos reatores as reações acontecem de maneira controlada, enquanto que nas bombas atômicas a reação em cadeia[nota 2] processa-se integralmente em um tempo muito curto, liberando de modo explosivo toda a energia armazenada no material fissionável,[nota 3] urânio ou plutônio. Um átomo é composto por um núcleo e pelos elétrons que ocupam a região ao redor do núcleo atômico, que são muito leves e têm carga elétrica negativa. Dentro do núcleo, há dois tipos de partículas, os prótons e os nêutrons. O número de prótons é sempre igual ao número dos elétrons, num átomo eletricamente neutro, mas sua carga é positiva. Os nêutrons variam em número sendo mais numerosos quanto mais pesado for o átomo, e são eletricamente neutros. No urânio presente na natureza são encontrados átomos, que têm em seu núcleo 92 prótons e 143 nêutrons (cuja soma é 235), átomos com 92 prótons e 142 nêutrons (234) e outros ainda, com 92 prótons e 146 nêutrons (238). Como o número de prótons e elétrons é sempre igual (92), pode-se dizer que esses são quimicamente iguais e são chamados de isótopos do mesmo elemento.

A economia das novas plantas nucleares é um tópico controverso, visto que existem visões divergentes sobre o mesmo, e investimentos multibilionários dependem da escolha de uma fonte de energia. As plantas de energia nuclear tipicamente têm um capital de custo inicial bem elevado para a construção, porém possuem baixos preços de combustível. A comparação com outras formas de geração de energia está fortemente dependente de pressupostos sobre os prazos de construção e financiamento de capital para as plantas nucleares, assim como, dos futuros custos dos combustíveis fósseis e renováveis, bem como das soluções para armazenamento de energia para fontes de energia intermitentes. Por outro lado, medidas para diminuir o aquecimento global, tais como o imposto de carbono, ou o comércio de emissões de carbono, podem favorecer a economia desta indústria. O Reino Unido, assim como outras nações favoráveis a economia neoliberal, veem como um grande problema a necessidade de subsidiar as plantas nucleares como é realizado nos Estados Unidos da América, pois as outras formas de energia não necessitam de mesmo tratamento, mesmo que elas se paguem ao longo prazo.

As bombas nucleares fundamentam-se na reação nuclear (i.e. fissão ou fusão nuclear) descontrolada e portanto explosiva. A eficácia da bomba atômica baseia-se na grande quantidade de energia liberada e em sua toxicidade, que apresenta duas formas: radiação e substâncias emitidas (produtos finais da reação e materiais que foram expostos à radiação), ambas radioativas. A força da explosão é de 5 mil até 20 milhões de vezes maior, se comparada a explosivos químicos. A temperatura gerada em uma explosão termonuclear atinge de 10 até 15 milhões de graus Celsius no centro da explosão. Na madrugada do dia 16 de julho de 1945, ocorreu o primeiro teste nuclear da história, realizado no deserto de Alamogordo, Novo México, a chamada Experiência Trinity. O segundo, empregado pela primeira vez para fins militares durante a Segunda Guerra Mundial, foi na cidade japonesa de Hiroshima (bomba Little Boy lançada pelo bombardeiro Enola Gay) e o terceiro, na cidade de Nagasaki (bomba Fat Man lançada pelo Bockscar). Essas explosões mataram ao todo cerca de 155 000 pessoas imediatamente, além de 110 000 pessoas que morrerem durante as semanas seguintes, em consequência dos efeitos da radioatividade. Além disso, suspeita-se que até hoje mais 400 000 morreram devido aos efeitos de longo prazo da radioatividade.

A toxicidade baseia-se na radiação emitida pelas substâncias envolvidas na reação nuclear. Assim, tanto o material utilizado, quanto todo entorno serão fonte de radioatividade e, portanto, tóxicos. A descobridora da radiação ionizante, Marie Curie, sofreu envenenamento radioativo, em 1898, por manipular materiais radioativos levando a inflamação nas pontas dos dedos e no final da vida ela sofreu e morreu de leucemia.

A fissão nuclear do urânio é a principal aplicação civil da energia nuclear. É usada em centenas de centrais nucleares em todo o mundo, principalmente em países como a França, Japão, Estados Unidos, Alemanha, Suécia, Espanha, China, Rússia, Coreia do Norte, Paquistão e Índia, entre outros. A percentagem da energia nuclear na geração de energia mundial é de 6,5% (1998, UNDP) e de 16% na geração de energia elétrica. No mês de janeiro de 2009 estavam em funcionamento 210 usinas nucleares em 31 países com ao todo 438 reatores produzindo a potência elétrica total de 372 GW. A maior usina nuclear por capacidade instalada é a Usina Nuclear de Kashiwazaki-Kariwa, com potência de 7 965 MW para a rede elétrica e 8 212 MW de potência total. No entanto, devido a desativação temporária de Kashiwazaki-Kariwa devido aos problemas de segurança que vieram a tona com o Desastre Nuclear de Fukushima, atualmente a maior usina nuclear em funcionamento no mundo é a Central Nuclear de Bruce no Canadá, com potência de 6 383 MW e produção anual de energia elétrica de 47,63 GWh.

Tanto a fissão, quanto a fusão aparentam promissoras aplicações na propulsão de foguete, gerando maiores velocidades com menor número de massa na reação. Isso se deve a mais elevada densidade da energia das reações nucleares: próximas de 7 ordens de magnitude (10 000 000 vezes) mais enérgicas que as reações químicas as quais são utilizadas atualmente nos foguetes. A desintegração nuclear vem sendo usada em uma escala relativamente pequena (alguns kW), majoritariamente para suprir a demanda energética de missões espaciais e experimentos usando geradores termoelétrico de radioisótopos, tais como os desenvolvidos pelo Laboratório Nacional de Idaho.[carece de fontes?]

A energia elétrica é fator essencial para assegurar o crescimento econômico do país e a qualidade de vida da sua população, porém, os recursos hídricos disponíveis nas proximidades dos principais centros consumidores estão se esgotando. Além disso, os licenciamentos ambientais dos aproveitamentos hídricos remanescentes e economicamente viáveis estão se tornando cada vez mais difíceis. No quadro geral de geração de energia no Brasil, entre todas as formas comercialmente viáveis, o percentual de participação por fonte nuclear e de outras fontes é mostrado na figura 2, verifica-se o baixo aproveitamento com relação ao urânio e seus derivados, apenas 1,40%. O Brasil possui a sexta maior reserva mundial de urânio e instalações industriais do Ciclo do Combustível Nuclear, operadas pela INB (Indústrias Nucleares do Brasil), que garante ao país independência no suprimento de combustível nuclear.