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

Formas de energias

Versão 1.0

A figura a baixo mostra as conversões de energia que são possíveis, já que a energia não se destrói e sempre se transforma de uma forma para outra.

Figura retirada do livro da coleção prisma

Geração de energia eletrica

Versão 1.2

Será abordado a geração de energia elétrica em larga escala mais comuns. Tudo começa com um gerador, para que ele possa fornecer eletricidade há a necessidade de fornecer um movimento no eixo, com uma rotação constante e na faixa de operação, o gerador começa a produzir eletricidade com voltagem que foi projetado. Ele nada mais é um conversos de energia cinética em energia elétrica. Sabendo disso, há a necessidade de fazer o gerador girar a partir de alguma outra coisa, isso pode ser vapor, água... Então se utiliza uma turbina, que nada mais é que uma peça que é usada para canalizar e mover uma hélice que por sua vez girará o gerador. O gerador é ligado há uma subestação que trata a energia conforme a necessidade com ajuda de um transformador é variado a voltagem final antes de distribuir a energia.

O conceito básico a cima em mente poderemos aprofundar um pouco mais com as especificações dos tipos de usinas elétricas.

Usina termoelétrica - É uma usina que precisa de um combustível (normalmente fóssil) para gerar calor que será usado para aquecer água produzindo vapor, esse vapor é conduzido para turbina que conseqüentemente girará o gerador. O combustível muito usado para esse tipo de produção de vapor é o carvão, óleo, nuclear.
A usina nuclear é uma termoelétrica, pois usa o calor produzido da fissão dos núcleos para aquecer água e fazer vapor

Esquema de uma termoelétrica a carvão

Usina hidrelétrica - É uma usina que usa água para mover a turbina, essa água pode ser de uma represa, correnteza, enfim, qualquer fluxo de água. Com a movimentação da água na turbina faz o gerador movimentar produzindo energia elétrica.

Esquema de hidrelétrica

 

Usina motogerador - Esse tipo de usina consiste usar um motor de combustão interna (normalmente diesel, mas pode ser outro combustível como: gasolina, propano...) ligado diretamente ao gerador. A turbina a gás queima gás dentro de uma turbina e fazendo girar com uma eficiência maior do que um motor a combustão e a temperatura dos gases da exaustão pode chegar a mais de 1.000°C podendo ser usado para produzir vapor e girar mais um gerador como das usinas termoelétrica.

Motor a diesel

Turbina a gás

Usina eólica - Esse tipo de usina usa o vento como a sua força motriz, isso é: o vento bate na hélice fazendo ela girar, o eixo da hélice esta ligado a uma caixa multiplicadora de rotação que por sua esta ligada no gerador que produz energia.

Um gerador eólico comum

Gerador eólico por dentro

As figuras representam uma configuração, podendo sofrer mudanças de projetos, mas o resultado final é o mesmo

O Fluxograma a seguir simplifica tudo o que foi dito a cima

As imagens foram scaneadas da coleçao prismas e as fotos pega na internet