Por que o tório, uma alternativa potencialmente mais segura ao urânio, não é usado em reatores nucleares?

1 mês ago
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Por que o tório, uma alternativa potencialmente mais segura ao urânio, não é usado em reatores nucleares?

A pesquisa e o desenvolvimento pioneiros no domínio nuclear foram realizados com o objetivo de criar armas nucleares. Como a fissão do tório não produz plutônio (um dos elementos usados ​​nas armas nucleares) como subproduto, o urânio, o combustível nuclear de dupla finalidade, teve precedência. No entanto, as nações finalmente começaram a entender os aspectos de segurança do tório como combustível nuclear e começaram a desenvolver reatores nucleares baseados em tório.

Depois de me estressar recentemente no programa Chernobyl , me encontrei no fundo dos buracos de coelho do Google, investigando os mistérios dos reatores nucleares e como eles funcionam. Logo descobri que a história humana moderna está cheia de acidentes nucleares. Desde o início da primeira usina nuclear em 1954, houve mais de 100 acidentes nucleares sérios, cada um afetando a vida de milhares – ou até milhões! – de seres humanos e animais.

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No cerne desses acidentes está o urânio, o elemento usado como combustível nuclear primário em todos os reatores nucleares construídos até este ponto. Para minha surpresa, no entanto, descobri que há realmente uma alternativa melhor e potencialmente mais segura ao urânio na forma de tório .

Isso me fez pensar … Será que a longa lista de acidentes nucleares e suas conseqüências foram evitadas com o uso de tório em vez de urânio? ‘.

O tório fica dois lugares à esquerda do urânio na tabela periódica e possui propriedades comparáveis.

Como os reatores nucleares funcionam?

Antes de começarmos a acusar os cientistas nucleares de usar urânio em vez de tório, vamos dar uma rápida olhada em como os reatores nucleares operam.

Os reatores nucleares funcionam aproveitando a energia liberada durante a fissão nuclear , uma reação química na qual um núcleo maior se divide em dois ou três núcleos menores, liberando uma grande quantidade de calor e nêutrons. A energia térmica liberada durante a fissão é utilizada para evaporar a água em vapor, que é usado para acionar uma turbina e converter energia térmica em eletricidade ou energia mecânica. Simples, certo? Bem, todo o processo é realmente muito mais complicado do que parece e requer muita atenção e conhecimento para gerenciar com segurança.

Trabalho de uma usina nuclear.

Trabalho de uma usina nuclear.

Concentrado apenas no lado químico das coisas, o urânio enriquecido é a substância (combustível nuclear) que sofre fissão na maioria dos reatores (alguns reatores nucleares usam MOX, uma mistura de plutônio e alguma forma de urânio, como combustível nuclear). Aproximadamente 99% do urânio encontrado na Terra é 238 U, o isótopo não físsil , enquanto menos de 1% é 235 U, o isótopo físsil e, portanto, mais valioso. O urânio enriquecido, através da implementação de técnicas como a separação de isótopos, contém uma porcentagem aumentada de 235 U na mistura geral.

Uma reação de fissão começa quando o urânio enriquecido é bombardeado com um nêutron. Com o impacto, 235 U começa a se dividir em núcleos menores e a liberar nêutrons de alta energia. Os nêutrons de alta energia são absorvidos por outros átomos de 235 U, provocando uma reação em cadeia no interior do reator nuclear. Uma grande quantidade de energia térmica é liberada no processo, juntamente com a liberação de radiação gama e nêutrons adicionais.

A quantidade de energia térmica produzida depende da taxa dessas reações de fissão encadeadas. Contendo a taxa e a extensão dessas reações em cadeia também traça a linha entre um reator nuclear e uma arma nuclear.

O uso primário de energia nuclear

Muito antes do desenvolvimento da primeira usina nuclear, a energia nuclear foi originalmente aproveitada para fins destrutivos. O Projeto Manhattan, uma iniciativa de pesquisa e desenvolvimento de armas encomendada pelo governo dos EUA, foi pioneira no uso de energia nuclear ao revelar as primeiras armas nucleares. Criado em 1939, o Projeto Manhattan assustou o mundo com a detonação da primeira arma nuclear (uma demonstração conhecida como teste da Trindade) em 1945. Um mês depois, a mesma nação estabeleceu ainda mais o imenso potencial destrutivo das armas nucleares. infame bombardeando Hiroshima e Nagasaki, efetivamente terminando o papel do Japão na Segunda Guerra Mundial.

O medo de uma nação inimiga possuir tais proezas destrutivas levou outras nações envolvidas na Segunda Guerra Mundial a iniciar suas próprias pesquisas individuais no domínio nuclear. O que se seguiu foi um aumento na produção de armas nucleares, em vez do desenvolvimento de energia nuclear comercial.

A União Soviética, o Reino Unido, a França e a República Popular da China, seguidas pela Índia e pelo Paquistão, desenvolveram armas nucleares ao longo dos anos. Acredita-se que algumas outras nações, incluindo a Coréia do Norte e Israel, tenham desenvolvido armas nucleares. Outro país que desenvolveu armas nucleares é a África do Sul, mas eles destruíram voluntariamente todo o seu estoque de armas nucleares e interromperam a produção nos anos 90.

Detonação da Trindade

Nuvem de cogumelo formada após a detonação da primeira arma nuclear bem-sucedida (teste de Trinity). (Crédito da foto: Departamento de Energia dos Estados Unidos / Wikimedia Commons)

Por que urânio?

O urânio enriquecido pode conter uma porcentagem aumentada de 235 U, mas também retém 238 U em quantidades significativas. 238 U, ao absorver um dos nêutrons de alta energia que flutua no reator, transmuta-se em 239 U antes de decair em outros compostos radioativos, como neptúnio-239 e plutônio-239. O último dos dois produtos filhas é o que intrigou todo mundo que trabalha com energia e avanço nuclear.

Descobertos em todo o clímax da Segunda Guerra Mundial, cientistas e nações foram rápidos em compreender o potencial destrutivo do plutônio-239. A bomba atômica lançada em Nagasaki foi uma bomba de plutônio-239 chamada ‘Homem Gordo’, enquanto a bomba lançada em Hiroshima foi uma bomba de urânio-235. O plutônio-239 possui a menor massa crítica de todos os combustíveis nucleares, o que significa que o plutônio pode sustentar uma reação em cadeia com a menor quantidade de matéria.

No entanto, quase todo o plutônio é produzido pelo homem e apenas uma quantidade desprezível pode ser extraída da crosta terrestre. O único lugar em que se encontra plutônio-239 em quantidades significativas é dentro de um reator nuclear onde o urânio-238 está interagindo com nêutrons. Nos EUA, reatores na região do rio Savannah e Hanford foram estabelecidos para a produção de plutônio-239.

tório

Por outro lado, a fissão do tório não produz plutônio-239 como subproduto. O ciclo de combustível do tório (mostrado acima) começa com a transmutação de 232 Th em   233 U através de uma série de decaimentos. 233 U passa a desempenhar o papel de combustível nuclear nesses reatores. O ciclo de combustível do tório também produz plutônio, mas o isótopo não armaizável (plutônio-238). O 233 U também pode ser usado em armas nucleares, mas a presença de 232 U na mistura nega suas capacidades.

Para juntar tudo isso, o tório não pode ser armado, o que significava que a pesquisa e o desenvolvimento de reatores de urânio de dupla finalidade foram incentivados (e também financiados) em vários países após a Segunda Guerra Mundial. Os pesquisadores que expressaram suas opiniões e incentivo para os reatores de tório foram: expulsos de suas respectivas organizações ou as idéias foram descartadas em favor dos usos militares do urânio.

Urânio vs Tório como combustível nuclear

Além de ser um combustível nuclear não armado, o tório também vence o urânio de várias outras maneiras!

O tório é três vezes mais abundante que o urânio e não precisa ser reprocessado ou enriquecido como o urânio-235. As estimativas prevêem que existe apenas tório suficiente nos EUA para alimentar o país por mais 1.000 anos (no atual nível de energia do país). Além disso, o minério de tório contém uma porcentagem maior de tório do que a quantidade de urânio encontrada em seu respectivo minério, tornando a mineração de tório mais econômica e ecológica.

Quanto aos aspectos de segurança, os reatores de tório geram menos resíduos nucleares do que seus equivalentes de urânio. Prevê-se também que a radioatividade de seus resíduos nucleares diminua para níveis seguros após algumas centenas de anos, enquanto os resíduos nucleares produzidos pelos reatores atuais permanecem radioativos por milhares de anos. Isso reduz o custo de gerenciar o combustível usado e os resíduos.

Mais importante, o tório é um material fértil, mas não físsil. Os elementos férteis não sofrem reações de fissão por si só, mas após irradiação em reatores nucleares, eles podem ser convertidos em material físsil. Isso implica que os reatores de tório podem ser desligados quase imediatamente, simplesmente desligando a fonte de nêutrons.

Palavras finais

Com vários benefícios conhecidos e previstos sobre os reatores de urânio tradicionais, por que o mundo não viu os reatores de tório reinarem supremos? Porque com a virtude vem o vício!

Muitas pesquisas, trabalhos práticos e testes ainda precisam ser realizados antes da mudança para o tório, juntamente com a exigência de capital para licenciamento e fabricação de combustível. Além disso, a palavra “nuclear” tornou-se sinônimo de urânio; portanto, a possibilidade de uma alternativa mais segura é desconhecida pelas massas e até por algumas autoridades do domínio nuclear.

No entanto, há alguma esperança de mudança, pois muitos países iniciaram a pesquisa e o desenvolvimento de reatores nucleares baseados em tório. A liderança da frente é a Índia, com um plano em três etapas para atender a 30% das necessidades elétricas do país usando reatores de tório até 2050, enquanto o mundo pode ver seu primeiro reator comercial de tório já em 2025. Outros países como Canadá, China, A Noruega, o Reino Unido e os EUA também estão dando um passo no sentido de utilizar a energia nuclear limpa e segura do tório.

Quanto à pergunta feita anteriormente – as consequências e os danos causados ​​por muitos desastres nucleares foram evitados? Talvez sim. Talvez não … mas favorecer uma alternativa comprovada e segura certamente ajudaria!

Referências:

  1. Departamento de Energia (Link 1)
  2. Departamento de Energia (Link 2)
  3. Georgia State University
  4. NRC
  5. Universidade de Stanford
  6. SRS
  7. Pib.gov
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