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Da mina sob solo congelado a menos trinta graus às centrífugas supersônicas, o urânio enriquecido se transforma em pastilhas de urânio que viram combustível nuclear, entram em reator nuclear e liberam energia nuclear suficiente para abastecer milhares de casas durante anos seguidos com um punhado de material altamente concentrado ali.
Cada célula de combustível feita com urânio enriquecido produz calor suficiente para gerar cerca de 1 milhão de kWh de eletricidade, energia bastante para abastecer milhares de casas durante um ano inteiro. À primeira vista é só uma pastilha pequena, mas por trás dela existe um processo brutal de mineração, química e tecnologia de precisão.
Da rocha escondida sob solo congelado a menos 30 ºC até o brilho azul dentro de um reator, o caminho do urânio é longo. Nós acompanhamos essa jornada desde a maior mina de urânio de alto teor do mundo até a fábrica de combustível nuclear onde nascem as pastilhas de urânio que alimentam reator nuclear e geram energia nuclear para cidades inteiras.
Da rocha congelada ao concentrado de urânio
Tudo começa em minas de urânio localizadas em regiões remotas. Países como Austrália, Cazaquistão e Canadá respondem juntos por mais de 60% da produção mundial de urânio, e é na província canadense de Saskatchewan que está uma mina especial, com minério que pode ultrapassar 20% de concentração de urânio, até 100 vezes mais do que em depósitos comuns.
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Esse minério de urânio fica escondido sob uma espessa camada de arenito completamente saturado de água. Se os engenheiros simplesmente cavassem, a mina viraria uma piscina radioativa em poucos minutos.
A solução foi usar congelamento artificial do solo: perfurações profundas recebem tubos por onde circula salmoura de cloreto de cálcio a cerca de –30 ºC, formando uma barreira de gelo que segura a água longe do minério.
Brocas de carboneto de tungstênio perfuram o arenito enquanto tubos são instalados, e cada pedaço de tubo pode levar dias para ficar pronto. O minerador controla tudo por controle remoto, mantendo distância do urânio radioativo e dos riscos de queda de rochas, enquanto a mina é ventilada com ar fresco a cada 20 minutos.
Quando o minério é finalmente alcançado e fragmentado, ele cai em câmaras de extração e segue por dutos até o processamento.
Trituração, ácido e a preparação do urânio enriquecido
O minério fragmentado passa por um triturador que o transforma em pedaços menores, depois em algo parecido com areia fina. Em seguida, adicionam água, criando uma polpa que pode ser bombeada para a superfície. Caminhões especiais levam essa polpa de urânio até um moinho, a dezenas de quilômetros de distância.
Lá, entra a parte pesada da química. O minério em pó é tratado com ácido em grandes tanques, e o ácido dissolve o urânio, deixando para trás a maior parte da rocha, que se deposita no fundo. A solução ácida rica em urânio segue adiante, enquanto minerais indesejados ficam pelo caminho.
Com uma série de reações químicas adicionais, o urânio é purificado e aquecido até se transformar em um pó escuro, altamente concentrado.
Esse pó é envasado em tambores de aço de 210 litros, selado e rotulado, já com indicação de radioatividade. Ainda não é urânio enriquecido, mas é a matéria-prima pronta para ser convertida em gás e entrar na etapa seguinte, aquela em que começa a nascer de fato o combustível nuclear usado em reator nuclear.
Centrífugas supersônicas e o nascimento do urânio enriquecido
Para virar urânio enriquecido, o urânio concentrado precisa ser convertido em um gás adequado ao processo de separação de isótopos.
O gás resultante é introduzido em centrífugas que giram em velocidades extremamente altas, empurrando as moléculas mais pesadas para as bordas e permitindo que as ligeiramente mais leves fiquem mais concentradas na região central.
No urânio natural, cerca de 99,3% é urânio 238, que não sofre fissão tão facilmente, e apenas 0,7% é urânio 235, o isótopo ideal para manter uma reação em cadeia estável em reator nuclear. A função das centrífugas é justamente aumentar essa fração de urânio 235, pouco a pouco, em cascatas de equipamentos conectados.
Em usinas que produzem energia nuclear, o objetivo é alcançar algo entre 3% e 5% de urânio 235, o suficiente para manter a fissão controlada. Para armas nucleares, esse valor ultrapassa 90%, o que explica a preocupação mundial com proliferação.
No caso da geração de eletricidade, o urânio enriquecido deixa as centrífugas pronto para seguir rumo à fabricação do combustível nuclear que vai alimentar as turbinas das usinas.
Pastilhas de urânio: o coração do combustível nuclear
Nos centros de processamento de combustível nuclear, o urânio enriquecido passa por novas etapas químicas. Primeiro vira trióxido de urânio, depois é convertido em dióxido de urânio, que se apresenta como um pó extremamente fino.
Esse pó é cuidadosamente homogeneizado em centrífugas e então vai para prensas hidráulicas capazes de aplicar várias toneladas de pressão.
É aí que surgem as pastilhas de urânio, pequenos cilindros escuros, do tamanho de um amendoim. Apesar do tamanho minúsculo, uma única pastilha pode gerar tanta energia quanto aproximadamente 800 kg de carvão ou cerca de 560 kg de petróleo, o que mostra o poder concentrado do urânio enriquecido.
As pastilhas de urânio seguem por esteiras até uma fornalha onde ficam por cerca de 24 horas. O calor elimina poros internos e faz as pastilhas encolherem, aumentando ainda mais a densidade do urânio, em um processo de antes e depois que impressiona qualquer visitante.
Em seguida, braços robóticos organizam essas pastilhas em bandejas e aproximam tubos de zircônio, o metal que suporta calor e corrosão sem bloquear os nêutrons da fissão.
Montagem das barras de combustível nuclear
Robôs empurram grupos de cerca de 30 pastilhas de urânio para dentro de cada tubo de zircônio, formando hastes longas. As extremidades desses tubos são soldadas automaticamente, criando barras seladas de combustível nuclear.
Um novo robô pega cada barra e a leva até um dispositivo de montagem que organiza 37 hastes em posição vertical, formando um feixe. Depois de montado e fechado, o feixe é pesado para confirmar se contém exatamente a quantidade de urânio prevista no projeto.
Antes de entrar em um reator nuclear, a radioatividade emitida por essas barras ainda é relativamente baixa, o que permite o manuseio seguro pelos trabalhadores em condições controladas.
Esses feixes de combustível nuclear feitos com urânio enriquecido são então enviados para as usinas, onde vão ganhar um papel bem mais dramático. É dentro do reator nuclear que as pastilhas de urânio finalmente mostram toda a capacidade de produzir energia nuclear em escala de cidade.
Dentro do reator nuclear: fissão em cadeia e calor extremo
Na usina, os feixes de combustível nuclear são inseridos no núcleo do reator nuclear. Lá dentro, alguns átomos de urânio 235 presentes no urânio enriquecido são atingidos por nêutrons e se tornam instáveis. Quando se partem em dois fragmentos menores, liberam energia na forma de calor e disparam novos nêutrons, que por sua vez atingem outros átomos de urânio.
Esse processo é a fissão nuclear em cadeia. Se fosse deixado solto, o reator nuclear poderia sair de controle rapidamente.
Por isso, há sistemas de segurança que absorvem parte dos nêutrons e regulam a intensidade da reação, além de paredes de concreto armado com cerca de 2 metros de espessura e mecanismos que desligam o sistema automaticamente se a temperatura subir demais ou a pressão cair rápido demais.
O calor gerado pelas pastilhas de urânio é usado para aquecer água e transformá-la em vapor. Esse vapor corre por tubulações até turbinas instaladas em um galpão gigantesco, com cerca de 400 metros de comprimento e altura equivalente a 20 andares, onde a rotação aciona geradores conectados à rede elétrica.
Em alguns casos, a turbina gira em torno de centenas de rotações por minuto e empurra um gerador capaz de produzir mais de 750 megawatts de eletricidade, o bastante para suprir as necessidades de cerca de meio milhão de pessoas.
Energia nuclear hoje e o destino do combustível usado
A energia nuclear gerada por reator nuclear queima urânio enriquecido a um ritmo relativamente lento. Depois de aproximadamente um ano de operação, o conteúdo útil das barras cai e o combustível é considerado esgotado, mesmo ainda contendo materiais radioativos importantes.
Nesse momento, as barras estão extremamente quentes e perigosas ao contato direto.
Ao sair do núcleo, os feixes de combustível nuclear são colocados em grandes piscinas dentro da própria usina, com cerca de 8 metros de profundidade.
A água atua como blindagem contra radiação e ao mesmo tempo ajuda a resfriar o material, que pode ficar ali por até 10 anos antes de ser transferido para outro tipo de armazenamento. Em alguns depósitos, há mais de 700 mil barras de combustível radioativo submersas, resultado de décadas de operação.
Enquanto isso, a mesma tecnologia que produz bombas também mantém lâmpadas acesas em milhões de casas ao redor do mundo, o que explica por que o debate sobre energia nuclear é tão acalorado.
Para muitos países, as pastilhas de urânio e o urânio enriquecido são peças centrais em uma estratégia de geração de eletricidade com baixas emissões de carbono, mas que exige responsabilidade máxima com resíduos e segurança.
Sabendo de tudo isso, você acha que a energia nuclear deveria ter mais espaço na matriz energética do Brasil ou prefere apostar em outras fontes para o futuro da eletricidade?
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