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Por RRodrigo

Como funciona a usina nuclear de Fukushima? O que deu errado? Qual é a situação atual?

Como funciona a usina nuclear de Fukushima?

Por Carlos Hotta

http://scienceblogs.com.br/brontossauros/2011/03/fukushima.php

Por incrível que pareça, a eletricidade na usina nuclear de Fukushima é gerada por vapor de água. A energia liberada pelo combustível nuclear, o radioativo óxido de urânio, ferve a água e o vapor gerado move turbinas, que geram a eletricidade.

O óxido de urânio está na forma de cerâmica, em pequenos cilindros. Estes cilindros não estão em contato com a água, evitando desta forma que a água fique radioativa. Eles são colocados em tubos de Zircaloy. Centenas de tubos de Zircaloy formam o reator nuclear. Os átomos de urânio se quebram em átomos menores, liberando calor e nêutrons. O calor aquece a água, que só está em contato com o Zincaloy, os nêutrons podem atingir outros átomos de urânio, ocasionando novas fissões (quebras). O ciclo da água líquida entrando e vapor saindo retira o calor do reator. Um detalhe que vai ser importante depois: os tubos de Zircaloy se oxidam a 1200oC e o óxido de urânio se derrete a 2800oC.

O reator é mantido encapsulado sob pressão em uma estrutura com paredes grossas de aço que servem para resistir a explosões. Esta estrutura está fechada hermeticamente em uma segunda estrutura, esta de aço e concreto. Uma terceira camada de concreto cobre tudo. Tudo isso atuando como uma proteção contra vazamento do combustível radiotivo para o ambiente (muito, muito ruim). Por fim, há o prédio da usina, que protege todo o aparato das intempéries.

É necessário notar que o design de um reator nuclear é compleatmente diferente de uma bomba nuclear. Por isso qualquer explosão que tenha acontecido ou venha a acontecer na usina de Fukushima NÃO vai ser uma explosão nuclear!

O que deu errado?

Quando há uma emergência, a usina nuclear pode diminuir a taxa de fissão de urânio mesclando-se cilindros de bóro - que absorve nêutrons - entre os cilindros de Zincaloy. Desta forma consegue-se reduzir a taxa de fissão do urânio em mais de 90% mas calor ainda é produzido. Por isso ainda é necessário continuar a resfriar o reator com água. Veja bem, se o reator ficar sem água, sua temperatura interna pode levar à oxidaçaõ dos cilindros e ao derretimento do urânio (o tal de meltdown). Quando ocorre o meltdown, o risco de haver vazamento de combustível radioativo aumenta consideravelmente, pricipalmente por se tornar mais difícil o controle das reações que ocorrem no reator.

Bem, a usina de Fukushima foi criada para aguentar terremotos de um certo grau: 1) o prédio não desabou; 2) quando foi detectado o terremoto, o maior da história do Japão (que tem um currículo considerável neste sentido), os cilindros de bóro foram ativados automaticamente, 3) o terremoto destruiu o acesso da usina à fotnes externas de eletricidade, necessária para o sistema de refrigeração, mas a usina possuía muitos geradores de eletricidade de reserva.

A usina possuía, inclusive, altas paredes que a protegiam da maré, caso houvesse um tsunami. A confiança nestas paredes era tanta que os geradores de emergência foram colocados no subsolo, protegidos de desabamentos. Os geradores funcionaram perfeitamente por cerca de uma hora quando veio um tsunami com uma intensidade muito maior do que a imaginada pelos engenheiros da usina. A água logo sobrepujou os muros da usina e chegou aos geradores, parando-os. A usina ainda contava com baterias de backup mas suas 8 horas de duração foram insuficientes para retornar a energia elétrica para os geradores. Quando a energia das baterias acabou a temperatura dentro do reator começou a subir. Eventualmente, geradores foram levados ao local: o grande desafio era, então, fazer a temperatura do reator diminuir.

O aumento da temperatura dentro dos reatores aumenta a sua pressão interna, o que pode danificar os sistemas de contenção de radiação. A solução é soltar parte dos vapores na atmosfera. Quando a temperatura dos reatores chega a 1200oC, o Zincaloy começa a oxidar, liberando o gás hidrogênio - altamente combustível. O problema é que não era possível estimar a quantidade de gás de hidrogênio que estava sendo liberado junto com o vapor o que ocasional as explosões vistas pela televisão (nota: neste momento houve uma terceira explosão cujas causas ainda estão incertas). Estas explosões destruíram o prédio da usina mas, até onde se sabe, não afetou as estruturas de contenção dos reatores. A degradação do Zincaloy também permite que alguns elementos radioativos saiam junto com os vapores, césio e iodo. Este material é o suficiente para aumentar a radioatividade da região mas não para ser letal a seres vivos.

Os engenheiros ainda começaram a bombear água do mar com ácido bórico nos reatores para ajudar no resfriamento do reator. Esta decisão acelera a oxidação do Zincaloy mas a prioridade era abaixar a temperatura. O ácido bórico também captura nêutrons, de forma a evitar que os reatores tornem-se ativo noavmente. Uma vantagem extra do ácido bórico é capturar parte do iodo radioativo gerado. A água do mar inutiliza os reatores por isso só é usada como último recurso. Parte da dificuldade em se resfriar os reatores é a pressão. Um dos especialistas coemntou que é o equivalente a tentar colocar água em uma bexiga cheia de ar.

Qual é a situação atual?

É difícil saber ao certo a situação atual dos reatores. Há muito boato e muita análise falsa rolando por aí. Apesar dos reatores estarem inativos faz muitas horas, ainda há uma certa dificuldade de se controlar a temperatura de alguns deles. Não é possível ter certeza mas acredita-se que dois dos reatores da usina ficaram sem água por um período de tempo devido a falhas nas válvulas de liberação da pressão. Este tempo pode ter sido o suficiente para que tenha ocorrido um meltdown. Se isto aconteceu, é necessário torcer para que os demais sistemas de contenção ainda estejam intactos. Certamente o Zincaloy de pelo menos um reator foi danificado, uma vez que foram detectadas pequenas quantidades de césio e iodo ao redor da usina.

A situação ainda é um tanto tensa, ainda mais porque não sabemos a extensão dos estragos nos reatores. O que se sabe é que não teremos um acidente do nível de Chernobyl. Os russos subestimaram o estrago que o gás hidrogênio poderia causar, não possuíam estruturas de contenção do reator e ocorreu uma explosão enorme causada pelo acúmulo de hidrogênio que levou junto o reator nuclear, espalhando o urânio na atmosfera. Os diversos níveis de contenção ao redor dos reatores servem exatamente para evitar que isso aconteça.

Nota: no momento em que escrevo há sinais de fogo em um dos reatores da usina e há indícios que a terceira explosão atingiu um das estruturas de contenção de um outro reator. Há relatos de que grandes quantidades de radioatividade estão sendo liberadas (a verificar). Há ainda boatos de que estão evacuando a usina, sinal péssimo que levaria ao o meltdown de pelo menos três reatores. No momento é impossível saber ao certo o que está acontecendo e a magnitude do problema.

A mídia adora falar em níveis de radiação X vezes acima do normal ou Y vezes a quantidade que permitida pela regulação ambiental. Quando ouvirem isso considerem que: 1) os níveis de radiação no ambiente são baixíssimos, 2) os níveis perimitidos por lei são baixíssimos e 3) a radiação letal para seres vivos tanto no curto quanto no longo prazo é muito mais alta!

A usina de Fukushima tem quase 40 anos. Nas usinas modernas, por exemplo, não é necessário energia elétrica para bombear água para os reatores. Ainda sim a usina resistiu a um mega-terremoto e um super-tsunami. Para se ter uma ideia dos "perigos das usinas nucleares": as usinas termoelétricas de carvão geram mais radiotividade que as usinas nucleares e usinas nucleares mataram menos por terawatt que qualquer outra fonte de energia, incluindo energia solar e eólica.

UPDATE1 (01:05 am 15/03): o fogo no reator 4 se extinguiu. Este reator estava desativado mas continha células de combustível nuclear usadas. O fogo pode ter espalhado radioatividade destas células. Os trabalhadores foram evacuados porque os níveis de radiação subiram demais, tornando-se danosos a seres vivos. O sistema de bombeamento de água do mar para os reatores 1, 2 e 3 continua ativo.

UPDATE2 (08:01 am 15/03): A atenção dada aos reatores 1, 2, 3 fez com que o reator 4 fosse negligenciado. Isto levou à evaporação da água dos contâiners de combustível radioativo usado, provocando o acúmulo de gás hidrogênio e o fogo. Durante o incêndio houve um pico de liberação de radioatividade que chegou (em baixos níveis) até Tóquio. Os reatores 5 e 6, também desligados, também apresentam altas temperaturas. 

Fontes:

MIT Department of Nuclear Science and Engineering 
Slate - Nuclear Overreactors 
The Market Ticker - On The Japanese Quake and Tsunami 
Boing Boing - Nuclear energy 101: Inside the "black box" of power plants
BBC News - Uncertainty surrounds Japan's nuclear picture