Tipos de reatores nucleares

Versão 1.1 (Em resposta ao comentário complementarei esse artigo.)

Há vários tipos de reatores nucleares, porem o principio é o mesmo. Basicamente é aproveitar o calor da fissão nuclear para aquecer água e gerar vapor para mover uma turbina de calor e girar o gerador. Nas figuras a abaixo é demonstrado os mais variados tipos de reatores nuclear a fissão. Texto a seguir é de autoria de Matthew Gaines

Reatores nucleares 

Os reatores nucleares se compõem dos seguintes elementos fundamentais: combustível, sistema de controle, sistema de refrigeração, blindagem, e, em muitos casos, um moderado.

Um nêutron, recém produzido de numa reação nuclear de fissão, se movimenta a 16.000km/s. Se ele colidir com um atamo de urânio 235, provocará a fissão. Acontece, porém, que no urânio natural existe apenas um atamo de urânio 235 para 140 atamos de urânio 238. Logo, é muito pequena a probabilidade de um nêutron rápido atingir um atamo de urânio 235, e produzir fissão. É mais provável que isso aconteça no caso de um nêutron se movimentar aproximadamente 1,6km/s.

Há então duas maneiras de se construir um reator. Ou os nêutrons velozes são transformados em lento, ou se aumenta fortemente a proporção dos atamos físseis. Um moderador se diminui a velocidade dos nêutrons, sem absorvê-los. Atamos leves, como o hidrogênio (na água), o deutério (na água pesada) e o carbono (no grafite), são bons moderadores. Os nêutrons lentos são chamados de nêutrons térmicos. O mesmo nome é também usado para designar os reatores que usam moderadores.

Reatores rápidos são aqueles que empregam nêutrons rápidos para manter a reação em cadeia. Eles usam combustíveis nas proporções em que o material físsil aumenta consideravelmente, mediante a adição de plutônio 239 ou urânio 235.

Tanto nos reatores térmicos como nos rápidos, a "população" de nêutrons, que mantem a reação em cadeia, é controlada mediante materiais que facilmente absorvem nêutrons, como o cádmio, o háfnio e o boro, comumente usados em forma forma de barras. Essas barras forem removidas, a reação se acelera novamente. Mas as barras são colocadas em posição tal que permitam ao reator produzir uma taxa de reação estacionária.

A maior parte da energia produzida pela fissão dos atamos é liberada em forma de calor. Para aproveitar esse calor, é preciso transporta-lo, mediante um liquido refrigerante, percorrendo o centro do reator, normalmente para transferir o calor para uma caldeira, onde se produz vapor. Imensas quantidades de calor são geradas nos poderosos reatores para produzir eletricidade ou para impulsionar submarinos. É evidente que o sistema de refrigeração deve ser ,muito eficiente para garantir que não ocorra super aquecimento, e muito menos fusão do núcleo. Os elementos de refrigeradores  devem ser baratos e não corrosivos e por outro lado não devem absorver nêutrons. Entre eles incluem gases como dióxido de carbono e hélio, líquidos como água comum, água pesada, alguns compostos orgânicos e ainda alguns metais líquidos, como o sódio. Algumas vezes, as funções refrigerante e de moderador são exercidas por um só material, como, por exemplo, a água natural.

Uma blindagem se faz necessária para proteger o público e os operadores do reator contra nêutrons e os raios gama emitidos pelos produtos da fissão. O tipo de blindagem mais freqüente é formado por um paredão de concreto com vários metros de largura. Freqüentemente, por dentro desse paredão, coloca-se chapas de aço para reduzir a velocidade de nêutrons rápidos que atravessam, diminuindo, por conseguinte, a energia liberada no concreto. 

A exigência fundamental para se construir um reator é de haver uma quantidade critica de combustível, isto é, matéria fissil suficiente e já disposta de maneira tal que possa manter uma reação em cadeia. Se a massa fissil por pequena demais, ou estiver disposta de maneira errada, hão de fugir muitos nêutrons e a reação em cadeia será incapaz de se auto-sustentar. Outro fator que deve ser tomado em consideração é a absorção doa nêutrons por parte do material das estruturas, pelo liquido refrigerante e por material não fisseis no combustível. Diz-se que se atingiu o ponto critico, quando a reação em cadeia se auto-sustenta. Geralmente para iniciar uma reação em cadeia, é necessário recorrer a uma fonte artificial de nêutrons. 

A ilustração mostra a disposição básica do combustível, do moderador, do liquido refrigerador e da blindagem, encontrados nos seis mais importantes tipos de reatores.

Esquema de uma usina nuclear com reator resfriado a alta pressão

Figuras obtidas da wikipedia coleção prisma
Texto da coleção prisma  Matthew Gaines paginas 20 a 40