O que é fissão nuclear?

A fissão nuclear é a divisão do núcleo de um átomo para criar dois (ou mais) elementos mais leves.

Embora possa ocasionalmente ocorrer espontaneamente em isótopos de alguns elementos pesados, como tório e urânio, geralmente é desencadeada por um nêutron impactando o núcleo com a quantidade certa de força.

A repentina superlotação torna o amontoado de prótons e nêutrons instável e propenso a se separar, deixando não apenas núcleos menores – ou produtos físseis – mas também ejetando mais nêutrons livres, juntamente com uma explosão de fótons de alta energia na forma de radiação gama.

A energia liberada dessa separação de partículas nucleares tem sido usada como fonte de energia desde meados do século XX.

Embora o processo de produção de energia não libere os mesmos gases de efeito estufa problemáticos que a queima de combustíveis fósseis, as preocupações com os riscos de derretimento, resíduos perigosos de longo prazo e custos significam que o futuro atômico com o qual muitos sonharam no passado pode não ser facilmente alcançável.

Como a fissão nuclear é usada para gerar energia nuclear?

Experimentos na década de 1930 envolvendo o bombardeio de átomos com partículas nucleares levaram a modelos de fissão que prometiam que uma quantidade significativa de energia poderia ser liberada dos isótopos certos de elementos pesados, como o urânio.

A teoria previu que o urânio 235 tinha muito mais probabilidade de sofrer fissão em comparação com outros isótopos, especialmente se os nêutrons que atingirem seu núcleo estivessem se movendo a uma velocidade relativamente lenta.

A liberação de nêutrons adicionais do processo de fissão pode fazer com que outros átomos próximos de U-235 também se quebrem. Para que essa reação em cadeia ocorra, é necessário que haja uma densidade relativamente alta de U-235 espremido – o que é chamado de “massa crítica” do material.

No final da década de 1930, os físicos criaram métodos para desacelerar os nêutrons o suficiente para capturar e enriquecer misturas de isótopos de urânio de recursos naturais para formar massas críticas de U-235. Eles também criaram uma maneira de controlar a reação em cadeia para garantir que a produção exponencial de nêutrons não saísse do controle, caso em que o processo poderia se tornar explosivo.

Na década seguinte, os avanços tecnológicos da fissão nuclear seriam aplicados na produção de novas classes de superarmas. Foi somente após a Segunda Guerra Mundial que os engenheiros voltaram sua atenção para a possibilidade de que o processo de fissão nuclear pudesse ser aplicado à geração sustentada de calor para geração de eletricidade.

Assim como o vapor produzido pela combustão de combustíveis fósseis em uma caldeira gira uma turbina ligada a um gerador elétrico, o vapor de uma ‘caldeira nuclear’ também pode ser aproveitado para gerar energia.

Os avanços na tecnologia continuaram a melhorar a eficiência e a segurança ao longo do tempo, em alguns casos abandonando os moderadores que desaceleram os nêutrons para permitir que o material físsil capture partículas ‘mais rápidas’. Hoje, existem cerca de 440 usinas nucleares em operação em todo o mundo, com quase 100 somente nos Estados Unidos. Combinadas, essas usinas produzem cerca de 10% da eletricidade mundial, uma queda de 7% em relação ao seu pico em 1993.

Em uma época em que a produção de cerca de 60% da eletricidade mundial produz gases de efeito estufa a uma taxa que ameaça o aquecimento global catastrófico, a energia nuclear apresenta uma alternativa comparativamente mais limpa .

Mas há custos que podem limitar o quanto devemos recorrer à energia nuclear para nos salvar da crise climática.

Qual é o problema com a energia nuclear?

Quando se trata de encontrar alternativas econômicas e de baixa emissão para combustíveis fósseis, poderíamos fazer pior do que a energia nuclear. É importante ressaltar que também poderíamos fazer melhor, com tecnologias de energia renovável, como solar e eólica, que estão se tornando mais baratas a cada ano.

Os desafios da energia nuclear se enquadram em três categorias – desperdício, risco e custo. Aqui estão alguns exemplos de cada um.

Desperdício

Uma das maiores preocupações públicas sobre a energia nuclear nas últimas décadas tem sido sobre o que fazer com o combustível de urânio, uma vez que está tão sufocado por produtos físseis que não é mais eficiente na produção de energia.

Esse resíduo de alto nível contém isótopos que podem levar milhares de anos para reduzir a radioatividade a um nível aproximadamente igual ao do minério de onde veio. Neste momento, mais de um quarto de milhão de toneladas métricas de resíduos altamente radioativos estão armazenados em todo o mundo, aguardando descarte ou reprocessamento.

Isso é ruim? Embora o lixo nuclear armazenado não represente necessariamente uma ameaça imediata se estiver bem contido, questões sobre o gerenciamento de longo prazo e a possibilidade de manuseio incorreto e contratempos tornam o armazenamento de uma pilha crescente de lixo nuclear uma questão controversa.

O carbono também é um resíduo a ser considerado. Embora o processo de fissão e conversão de energia nuclear em eletricidade seja relativamente livre de emissões de carbono, o orçamento bruto de carbono para mineração e processamento do minério necessário para a fissão e a construção de uma usina de concreto não é zero.

Ao longo de sua vida útil, uma nova usina nuclear poderia ser responsável pela emissão do equivalente a cerca de 4 gramas de CO ₂ para cada quilowatt-hora de eletricidade produzida. Algumas estimativas colocam a produção muito mais alta, em qualquer lugar de 10 gramas de CO ₂ a 130 gramas em alguns casos.

Dito isso, a substituição de usinas elétricas a carvão por usinas nucleares poderia economizar para a atmosfera mais de milhões de toneladas de CO ₂ a cada ano, sem mencionar partículas e outros poluentes. Pelo mesmo raciocínio, fontes renováveis ​​limpas, como turbinas eólicas e painéis solares, também não terão emissões zero em virtude de sua fabricação e instalação. As pegadas de carbono para parques solares e eólicos são mais ou menos comparáveis ​​com a extremidade inferior para a nuclear.

Tomado como um todo, o poder da energia nuclear é (na melhor das hipóteses) tão livre de carbono quanto o da energia solar e eólica, embora com um problema de desperdício impopular que poucas pessoas querem em seu quintal.

Risco

Já se passaram mais de três décadas desde que a Ucrânia da era soviética deu ao mundo uma amostra do que seria o pior cenário para um acidente nuclear. Após um colapso durante um teste técnico em 1986, a Usina Nuclear de Chernobyl desabou em uma ruína radioativa em meio a uma paisagem envenenada por sua precipitação.

Em 2011, o reator nuclear de Fukushima, no Japão, também entrou em colapso após ser abalado por um terremoto.

Eventos devastadores como esses são incomuns o suficiente para merecerem manchetes chocantes. No entanto, algumas estimativas sugerem que tais derretimentos podem ocorrer uma vez a cada 10 a 20 anos, arriscando a propagação de material radioativo por centenas ou mesmo milhares de quilômetros de paisagem.

Quão ruim isso poderia ser? É difícil dizer, dependendo de uma ampla variedade de fatores relacionados a densidades populacionais, extensão da exposição e concentrações de isótopos. De acordo com a Organização Mundial da Saúde, “a população deslocada de Fukushima está sofrendo de impacto psicossocial e de saúde mental após a realocação, ruptura de laços sociais de pessoas que perderam suas casas e empregos, laços familiares desconectados e estigmatização”.

Em outras palavras, não é apenas com o risco de radioatividade que precisamos nos preocupar.

Ainda assim, estando tão acostumados com o impacto na saúde da combustão de combustíveis fósseis, damos pouca atenção ao impacto na saúde das partículas expelidas pela queima do carvão. O que também não é exatamente livre de material radioativo.

Custo

Para comparar os custos de geração de energia, os pesquisadores usam o que é conhecido como custo nivelado de energia, ou LCOE. Esta é uma medida do custo líquido médio de geração projetado ao longo da vida útil de um site.

Esse valor dependerá de uma ampla gama de coisas relacionadas à localização e às flutuações dos recursos. Mas ainda é possível ter uma noção geral do LCOE ao redor do mundo para comparar tecnologias.

De acordo com o Relatório de Status da Indústria Nuclear Mundial para 2020, o LCOE para energia nuclear saltou 26% na década entre 2009 e 2019, para US$ 155 por megawatt-hora. Ao mesmo tempo, o carvão caiu 2%, para US$ 109.

A energia solar fotovoltaica, por outro lado, despencou quase 90%, para apenas US$ 41. O vento também caiu para aproximadamente o mesmo custo.

As usinas de fissão nuclear podem salvar o mundo?

Claro, novas tecnologias sempre podem fazer a diferença. Encontrar melhores maneiras de capturar o lixo nuclear pode torná-lo mais seguro ou, pelo menos, dar ao público a confiança de que será uma ameaça menor no futuro. Alternativas aos isótopos de urânio poderiam aliviar a ansiedade de colapsos e o potencial de armar programas nucleares. A mudança de tecnologias pode afetar a escala dos reatores ou até mesmo melhorar seu LCOE completamente.

Mas é provável que seja tarde demais.

Uma análise da adoção da geração de energia nuclear e renovável em mais de cem países nos últimos 25 anos descobriu que a energia nuclear simplesmente não alcançou os mesmos resultados na redução de carbono que as energias renováveis.

Além do mais, investir em energia nuclear é um custo irrecuperável que torna mais difícil avançar para um futuro renovável mais tarde.

Nada disso quer dizer que a energia nuclear não tem lugar na produção futura de energia. A exploração espacial, por exemplo, poderia se beneficiar dos avanços na tecnologia de fissão nuclear. Além da produção de energia, a produção de isótopos específicos para medicina e pesquisa, tudo por meio do uso da fissão, é uma indústria inestimável.

Pode não nos salvar da crise climática, mas a era nuclear oferece outros benefícios tecnológicos que nos acompanharão por muito tempo.

Por ScienceAlert