Reator nuclear
Reator nuclear , qualquer um de uma classe de dispositivos que podem iniciar e controlar uma série autossustentável de fissões nucleares. Reatores nucleares são usados como ferramentas de pesquisa, como sistemas de produção isótopo radioativo s, e mais proeminentemente como fontes de energia para poder nuclear plantas.
A Usina Nuclear de Temelín, Boêmia do Sul, República Tcheca, que entrou em operação plena em 2003, usando dois reatores de água pressurizada projetados na Rússia. Josef Mohyla / iStock.com
Princípios de operação
Os reatores nucleares operam com base no princípio da fissão nuclear, o processo no qual um núcleo atômico pesado se divide em dois fragmentos menores. Os fragmentos nucleares estão em estados muito excitados e emitem nêutrons, outros partícula subatômica areia fóton s. Os nêutrons emitidos podem então causar novas fissões, que por sua vez produzem mais nêutrons e assim por diante. Uma série contínua de fissões auto-sustentáveis constitui uma fissão reação em cadeia . Uma grande quantidade de energia é liberada neste processo, e essa energia é a base dos sistemas de energia nuclear.
fissão Sequência de eventos na fissão de um núcleo de urânio por um nêutron. Encyclopædia Britannica, Inc.
Em um bomba atômica a reação em cadeia é projetada para aumentar de intensidade até que grande parte do material tenha se dividido. Esse aumento é muito rápido e produz explosões extremamente rápidas e tremendamente enérgicas, características de tais bombas. Em um reator nuclear, a reação em cadeia é mantida em um nível controlado, quase constante. Os reatores nucleares são projetados de tal forma que não podem explodir como bombas atômicas.
A maior parte da energia da fissão - aproximadamente 85 por cento dela - é liberada em um curto espaço de tempo após o processo ter ocorrido. O restante da energia produzida como resultado de um evento de fissão vem do decaimento radioativo de produtos de fissão, que são fragmentos de fissão após terem emitido nêutrons. O decaimento radioativo é o processo pelo qual um átomo atinge um estado mais estável; o processo de decomposição continua mesmo após o término da fissão, e sua energia deve ser tratada em qualquer projeto de reator adequado.
Reação em cadeia e criticidade
O curso de uma reação em cadeia é determinado pela probabilidade de que um nêutron liberado na fissão cause uma fissão subsequente. Se a população de nêutrons em um reator diminui ao longo de um determinado período de tempo, a taxa de fissão diminuirá e, finalmente, cairá para zero. Nesse caso, o reator estará no que é conhecido como estado subcrítico. Se, ao longo do tempo, a população de nêutrons for mantida a uma taxa constante, a taxa de fissão permanecerá estável e o reator estará no que é chamado de estado crítico. Finalmente, se a população de nêutrons aumentar com o tempo, a taxa de fissão e a potência aumentarão e o reator ficará em um estado supercrítico.
Reação em cadeia em um reator nuclear em um estado crítico Os nêutrons lentos atingem os núcleos do urânio-235, causando a fissão ou divisão dos núcleos e a liberação rápida de nêutrons. Os nêutrons rápidos são absorvidos ou retardados pelos núcleos de um moderador de grafite, o que permite nêutrons lentos o suficiente para continuar a reação em cadeia de fissão a uma taxa constante. Encyclopædia Britannica, Inc.
Antes da partida de um reator, a população de nêutrons é quase zero. Durante a inicialização do reator, os operadores removem as hastes de controle do núcleo para promover a fissão no núcleo do reator, efetivamente colocando o reator temporariamente em um estado supercrítico. Quando o reator se aproxima de seu nominal nível de potência, os operadores reinserem parcialmente as hastes de controle, equilibrando a população de nêutrons ao longo do tempo. Nesse ponto, o reator é mantido em estado crítico, ou o que é conhecido como operação em regime permanente. Quando um reator deve ser desligado, os operadores inserem totalmente as hastes de controle, inibindo fissão ocorra e forçando o reator a entrar em um estado subcrítico.
Reator de controle
Um comumente usado parâmetro na indústria nuclear está a reatividade, que é uma medida do estado de um reator em relação a onde estaria se estivesse em estado crítico. A reatividade é positiva quando um reator é supercrítico, zero na criticidade e negativa quando o reator é subcrítico. A reatividade pode ser controlada de várias maneiras: adicionando ou removendo combustível, alterando a proporção de nêutrons que vazam do sistema para aqueles que são mantidos no sistema ou alterando a quantidade de absorvedor que compete com o combustível por nêutrons. No último método, a população de nêutrons no reator é controlada pela variação dos absorvedores, que são comumente na forma de hastes de controle móveis (embora em um projeto menos comumente usado, os operadores podem alterar a concentração do absorvedor no refrigerante do reator). Mudanças no vazamento de nêutrons, por outro lado, costumam ser automáticas. Por exemplo, um aumento de energia fará com que o refrigerante de um reator reduza a densidade e, possivelmente, ferva. Essa diminuição na densidade do refrigerante aumentará o vazamento de nêutrons para fora do sistema e, assim, reduzirá a reatividade - um processo conhecido como feedback de reatividade negativa. O vazamento de nêutrons e outros mecanismos de feedback de reatividade negativa são aspectos vitais do projeto de um reator seguro.
Uma interação de fissão típica ocorre na ordem de um picossegundo (10-12segundo). Esta taxa extremamente rápida não permite tempo suficiente para um operador de reator observar o estado do sistema e responder de forma adequada. Felizmente, o controle do reator é auxiliado pela presença dos chamados nêutrons retardados, que são nêutrons emitidos por produtos de fissão algum tempo após a fissão ter ocorrido. A concentração de nêutrons retardados em qualquer momento (mais comumente referido como a fração de nêutrons retardados efetiva) é inferior a 1 por cento de todos os nêutrons no reator. No entanto, mesmo esta pequena porcentagem é suficiente para facilitar o monitoramento e controle de mudanças no sistema e para regular um reator operacional com segurança.
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