Pergunte a Ethan: Como uma nação pode ter energia nuclear sem o perigo de armas nucleares?
Em 2015, o secretário de Energia Ernest Moniz, físico nuclear, acompanhou o então secretário de Estado John Kerry e outros para se encontrar com o ministro das Relações Exteriores iraniano Mohammad Javad Zarif (2º D) e sua delegação, que incluía o principal físico nuclear do Irã, para selar um acordo nuclear histórico após quase dois anos de intenso esforço diplomático. Crédito da imagem: Carlos Barria/AFP/Getty Images.
Funcionou para o Irã há dois anos e pode funcionar novamente com as negociações certas.
Temos que entender a onipresença da energia em tudo o que fazemos. A energia é fundamental para nossa economia e traz consigo desafios ambientais, além de ser fundamental para nossos desafios de segurança. – Ernest Moniz
Em 2015, John Kerry, então secretário de Estado, trouxe o físico nuclear e secretário de Energia Ernest Moniz com ele para o Irã, para tentar negociar um acordo nuclear. A esperança era que o Irã tivesse a liberdade e a capacidade de criar energia usando energia nuclear, mas de tal forma que a criação de uma arma nuclear seria impossível em escalas de tempo inferiores a um ano. Esse sonho pacífico e nuclear é cientificamente possível? E se sim, como seria? Isso é o que Apoiador do Patreon Patrick Dennis quer saber:
Você poderia elaborar alguns dos antecedentes científicos sobre os quais o Dr. Moniz deve ter informado Kerry para essas conversas? Entre as questões que às vezes são mencionadas com pouca ou nenhuma explicação estão urânio versus plutônio; materiais e tecnologia adequados para produção de energia em tempos de paz versus aqueles adequados apenas para armas; reatores reprodutores; e transferência ilegal de tecnologia.
Por muitas métricas, a energia nuclear é uma vencedora que outras fontes de energia não podem esperar alcançar.
Embora muitas fontes de energia sejam importantes, em todo o mundo, para atender às necessidades energéticas da humanidade, cada uma delas tem uma desvantagem para o meio ambiente ou para atender às necessidades sob demanda (como a energia solar, mostrada aqui) quando comparada à nuclear. Crédito da imagem: Kevin Frayer/Getty Images.
Todas as outras fontes de energia que temos dependem de energia mecânica, química ou eletromagnética (incluindo solar e geotérmica) para alimentá-la. A energia eólica é um ótimo exemplo de energia mecânica: o vento em movimento pega as pás, que fazem uma turbina interna girar, convertendo energia mecânica em energia elétrica. Combustíveis fósseis – incluindo carvão, petróleo e gás natural – envolvem a combustão de compostos contendo carbono, que liberam energia química (reorganizando as configurações de elétrons/atômicas) e a convertem em energia elétrica de várias maneiras. A energia eletromagnética tem a vantagem de poder ser convertida diretamente em energia elétrica nas condições certas, embora na forma de corrente direta (em vez de alternada). Mas a energia nuclear tem a vantagem aqui.
Reator nuclear experimental RA-6 (República Argentina 6), en marcha. Contanto que haja o combustível nuclear certo presente, juntamente com as hastes de controle e o tipo adequado de água no interior, a energia pode ser gerada com apenas 1/100.000 do combustível dos reatores convencionais de combustível fóssil. Crédito da imagem: Centro Atomico Bariloche, via Pieck Darío.
Ao contrário da energia eólica, solar ou hidrelétrica, ela não está sujeita a variações horárias, diárias ou sazonais: você fornece o combustível e as condições certas e a energia nuclear fornece a energia que você precisa sob demanda. Ao contrário do carvão, petróleo ou gás natural, não produz emissões de gases de efeito estufa (porque não queima carbono), e não corremos o risco de ficar sem combustível nuclear por dezenas de milhares de anos. Em vez de depender de transições químicas, onde as configurações de elétrons em átomos e moléculas são alteradas para liberar energia, a energia nuclear depende do processo de fissão nuclear, onde os elementos pesados são separados, liberando energia via Einstein. E = mc2 . As transições nucleares são cerca de 100.000 vezes mais eficientes, o que significa que a mesma quantidade de combustível que pode abastecer uma cidade por um dia por meio de reações químicas pode, com reações nucleares, durar séculos.
A reação em cadeia do Urânio-235 que leva a uma bomba de fissão nuclear, mas também gera energia dentro de um reator nuclear. Crédito da imagem: E. Siegel, Fastfission / Wikimedia Commons.
Mas há uma desvantagem insidiosa na energia nuclear que vai muito além do medo de uma catástrofe ambiental e ecológica: o fato de que os subprodutos dessas reações nucleares produzem material que poderia ser usado para construir uma bomba atômica. Com recentes testes nucleares da Coreia do Norte tendo acabado de ocorrer, os medos persistentes da Guerra Fria ainda permanecem, e muitas pessoas ainda vivas que se lembram dos efeitos do bombardeio de Hiroshima e Nagasaki em 1945, o medo da proliferação nuclear é real e válido, e uma preocupação que deve ser abordada.
A nuvem da bomba atômica sobre Nagasaki de Koyagi-jima em 1945 foi uma das primeiras detonações nucleares a ocorrer neste mundo. Após décadas de paz, a Coreia do Norte está agora detonando bombas nucleares. Crédito da imagem: Hiromichi Matsuda.
Em sua forma mais básica, a fissão nuclear surge do minério de urânio, que é uma mistura de U-235 físsil e U-238 não físsil. Depois que esse combustível é gasto, onde a maior parte do U-235 foi dividida, há uma enorme quantidade de produtos adicionais. Estes incluem elementos inferiores na tabela periódica, do zinco para cima, juntamente com alguns elementos pesados altamente radioativos não encontrados na natureza. Esses incluem:
- U-236, que é uma impressão digital infalível de combustível nuclear usado,
- quatro isótopos diferentes de plutônio: Pu-238, Pu-239, Pu-240 e Pu-241,
- e algum Curium: Cu-245.
No nível mais simples, o plutônio produzido pela queima desse urânio físsil é a chave para a possibilidade de produzir uma arma nuclear.
Simplesmente adicionando nêutrons ao U-238, uma consequência inevitável de deixar seu combustível de urânio em um reator nuclear, muitos isótopos de elementos pesados são produzidos, incluindo Pu-239 e Pu-240. Crédito da imagem: JWB na Wikipédia em inglês.
Cerca de 1% da massa de combustível nuclear usado será plutônio. Em geral, existem três classificações para o grau de plutônio, porque não há uma maneira boa, barata e eficiente de separar os diferentes isótopos. Em vez disso, as classificações são as seguintes:
- Classe de super armas plutônio contém menos de 3% de Pu-240,
- Grau de armas plutônio contém menos de 7% de Pu-240, e
- Grau do reator plutônio contém 7% ou mais de Pu-240.
É o Pu-239 que é a chave para a construção de uma arma nuclear na maioria dos casos, então a chave para prevenir a proliferação nuclear, no caso mais simples, é garantir que qualquer plutônio produzido não seja de grau de armamento nem de grau de super armamento.
Um pellet de óxido de plutônio-238 brilhando com seu próprio calor. Também produzido como subproduto de reações nucleares, o Pu-238 é o radionuclídeo usado para alimentar veículos do espaço profundo, desde o Mars Curiosity Rover até a ultradistante espaçonave Voyager. Crédito da imagem: Departamento de Energia dos EUA.
Quando um reator funciona normalmente, o que significa por um longo período de tempo e até que o combustível do U-235 seja gasto, você não corre o risco de produzir plutônio para armas. De fato, sob essas condições, menos de 80% de seu plutônio será o físsil Pu-239, com 19% ou mais se tornando Pu-240. A razão para isso é simples: a fissão nuclear produz nêutrons, núcleos maiores têm uma seção transversal maior para absorver nêutrons, então enquanto o U-238 pode facilmente absorver um nêutron para se tornar Pu-239 (após alguns decaimentos radioativos), o Pu-239 também pode absorver facilmente um nêutron para se tornar Pu-240.
A chave, então, para fazer plutônio para armas, é irradiar esse U-238 apenas por curtos períodos de tempo: tempo suficiente para produzir Pu-239, mas não o suficiente para criar Pu-240. É muito fácil, realizando essa irradiação de curto período, produzir plutônio para armas, onde até 93% do plutônio criado é o Pu-239 físsil, com algo entre 6% e 7% de Pu-240. Como uma das principais preocupações é impedir que outras nações além dos estados detentores de armas nucleares as obtenham – o ponto principal da não proliferação – é muito provável que a principal preocupação de Ernest Moniz nas conversas de 2015 com Ali Akbar Salehi ( o físico que supervisiona o programa nuclear do Irã) era garantir que qualquer plutônio que fosse criado não fosse de grau de armamento.
Em julho de 2015, o Irã e seis grandes potências mundiais chegaram a um acordo nuclear, encerrando mais de uma década de negociações intermitentes com um acordo que pode ter transformado o Oriente Médio. Terceiro a partir da esquerda, o principal cientista nuclear do Irã, Ali Akbar Salehi, foi fundamental para concretizar esse acordo. Crédito da imagem: Joe Klamar/AFP/Getty Images.
A outra preocupação principal seria a separação do U-235 do U-238. O minério de urânio normal contém apenas alguns por cento de U-235, com mais de 95% do urânio de ocorrência natural existente como U-238. No entanto, não é apenas o plutônio que é usado para fazer bombas de fissão, mas o urânio físsil, que é fortemente enriquecido com U-235 bem acima dos níveis naturais. Os físicos nucleares costumam falar sobre SWU, que significa unidades de trabalho separativas , ou a quantidade de trabalho necessária para criar urânio enriquecido. Parte das negociações é cada lado estimar a eficiência e as capacidades do estado não nuclear para criar esse urânio enriquecido, com os EUA tendo o objetivo de exigir pelo menos um ano de esforços para o estado não nuclear em questão criar bombas-bomba. materiais dignos.
O minério de urânio contém menos de 1% de U-235 e deve ser processado em urânio grau reator. Uma foto de urânio de bolo amarelo, uma forma sólida de óxido de urânio produzido a partir de minério de urânio. A torta amarela deve ser processada ainda mais para se tornar grau de reator. que é 3-5% U-235. O grau de arma requer aproximadamente 90% de U-235. Crédito da imagem: Comissão Reguladora Nuclear / Governo dos EUA.
Essas duas questões, envolvendo a criação de urânio enriquecido e plutônio para armas, provavelmente estarão no centro de qualquer conversa sobre proliferação nuclear entre Estados não nucleares, com extraordinária perícia necessária para realizar as estimativas e cálculos com precisão. Se acertarmos e todos os lados agirem com relativa responsabilidade, poderemos viver em um mundo onde muitas nações tenham acesso aos enormes benefícios que a energia nuclear traz, mantendo um nível de segurança global que depende de essas mesmas nações não terem acesso às bombas nucleares.
Combustível descoberto armazenado debaixo d'água na Bacia K-East. Este é o combustível nuclear usado no site de Hanford. Potencialmente, isso poderia ser processado em plutônio em grau de reator… ou até mesmo algo mais. Crédito da imagem: Departamento de Energia dos EUA.
Enquanto muitos pensam que este é um plano muito perigoso para o planeta Terra, esse navio partiu em 1953, com o navio de Eisenhower. Átomos para a Paz plano. Desde então, parte do papel do Departamento de Energia tem sido trabalhar com o Departamento de Estado para prevenir a proliferação nuclear, razão pela qual muitos dos nossos secretários de energia foram Ph.D. físicos nucleares. Enquanto o atual não é , isso não nos condena ao fracasso neste reino; significa simplesmente que precisamos garantir que o conhecimento adequado esteja disponível para fazer os cálculos adequados e formular as políticas adequadas. Com as questões políticas que afetam nossa nação e nosso mundo hoje, nunca foi tão vital fazer isso com responsabilidade e acertar as coisas. A segurança do mundo depende disso.
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Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .
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