How do nuclear power plants work? - M. V. Ramana and Sajan Saini

Quais são os desafios da energia nuclear? - M.V. Ramana e Sajan Saini

Tradutor: Bruna Mazon Revisor: Custodio Marcelino

On a December afternoon in Chicago during the middle of World War II,

Em uma tarde de dezembro em Chicago durante a Segunda Guerra Mundial,

scientists cracked open the nucleus at the center of the uranium atom

cientistas abriram o núcleo no centro do átomo de urânio

and turned nuclear mass into energy over and over again.

e transformaram essa massa em energia várias vezes.

They did this by creating for the first time

Ele fizeram isso criando pela primeira vez

a chain reaction inside a new engineering marvel:

uma reação em cadeia dentro de uma nova maravilha da engenharia:

the nuclear reactor.

um reator nuclear.

Since then, the ability to mine great amounts of energy from uranium nuclei

Desde então, a habilidade de extrair grandes quantidades de energia

de núcleos de urânio levou alguns a considerar a energia nuclear

has led some to bill nuclear power

as a plentiful utopian source of electricity.

como uma fonte abundante e utópica de eletricidade.

A modern nuclear reactor generates enough electricity from one kilogram of fuel

A partir de um quilo de combustível, um reator nuclear moderno gera

eletricidade suficiente para abastecer uma residência americana média

to power an average American household for nearly 34 years.

por aproximadamente 34 anos.

But rather than dominate the global electricity market,

Mas em vez de dominar o mercado global de eletricidade,

nuclear power has declined from an all-time high of 18% in 1996

o uso da energia nuclear caiu de um total de 18% em 1996

to 11% today.

para 11% hoje.

And it's expected to drop further in the coming decades.

E é esperado que caia ainda mais nas próximas décadas.

O que ocorreu com a grande promessa que era essa tecnologia?

What happened to the great promise of this technology?

It turns out nuclear power faces many hurdles,

Acontece que a energia nuclear se depara com diversas barreiras,

including high construction costs

incluindo altos custos de construção

and public opposition.

e oposição pública.

And behind these problems lie a series of unique engineering challenges.

Por trás desses problemas existe uma série de desafios únicos de engenharia.

Nuclear power relies on the fission of uranium nuclei

A energia nuclear baseia-se na fissão de núcleos de urânio

and a controlled chain reaction

e de uma reação em cadeia controlada

that reproduces this splitting in many more nuclei.

que produz essa fissão em diversos núcleos.

The atomic nucleus is densely packed with protons and neutrons

O núcleo atômico é composto de vários prótons e nêutrons

bound by a powerful nuclear force.

unidos por uma poderosa força nuclear.

Most uranium atoms have a total of 238 protons and neutrons,

A maioria dos átomos de urânio possuem um total de 238 prótons e nêutrons,

but roughly one in every 140 lacks three neutrons,

mas em apenas um a cada 140 faltam três nêutrons,

and this lighter isotope is less tightly bound.

e esse isótopo mais leve é menos propenso a ficar unido.

Compared to its more abundant cousin,

Comparado com seu primo mais abundante,

a strike by a neutron easily splits the U-235 nuclei

um golpe por um nêutron quebra facilmente o núcleo de U-235

into lighter, radioactive elements called fission products,

em elementos radioativos leves chamados produtos de fissão,

in addition to two to three neutrons,

além de dois ou três nêutrons,

gamma rays,

raios gama,

and a few neutrinos.

e alguns neutrinos.

During fission, some nuclear mass transforms into energy.

Durante a fissão, parte da massa nuclear se transforma em energia.

A fraction of the newfound energy powers the fast-moving neutrons,

Uma fração da energia recém-encontrada impulsiona os nêutrons em movimento

and if some of them strike uranium nuclei,

e, se alguns deles atingirem núcleos de urânio,

fission results in a second larger generation of neutrons.

a fissão resulta em uma segunda e maior geração de nêutrons.

If this second generation of neutrons strike more uranium nuclei,

Se essa segunda geração de nêutrons atingir mais núcleos de urânio,

more fission results in an even larger third generation, and so on.

a fissão resulta em uma terceira e ainda maior geração, e assim por diante.

Mas, dentro de um reator nuclear,

But inside a nuclear reactor,

this spiraling chain reaction is tamed using control rods

a reação em cadeia espiral é controlada usando-se barras

made of elements that capture excess neutrons and keep their number in check.

feitas de elementos que capturam nêutrons extras deixando a quantidade controlada.

Com uma reação em cadeia controlada,

With a controlled chain reaction,

a reactor draws power steadily and stably for years.

o reator extrai energia continuamente e de maneira estável por anos.

The neutron-led chain reaction is a potent process driving nuclear power,

A reação em cadeia induzida por nêutrons é um processo potente da energia nuclear,

but there's a catch that can result

mas há um senão que pode resultar

in unique demands on the production of its fuel.

em demandas únicas na produção do combustível.

It turns out, most of the neutrons emitted from fission have too much kinetic energy

Ocorre que a maioria dos nêutrons gerados na fissão possui muita energia cinética

to be captured by uranium nuclei.

para ser capturada pelos núcleos de urânio.

The fission rate is too low and the chain reaction fizzles out.

A taxa de fissão é muito baixa e a reação em cadeia perde força.

O primeiro reator nuclear construído em Chicago usava grafite como moderador

The first nuclear reactor built in Chicago used graphite as a moderator

to scatter and slow down neutrons just enough

para dispersar e desacelerar os nêutrons o suficiente

to increase their capture by uranium and raise the rate of fission.

para aumentar sua captura pelo urânio e melhorar a taxa de fissão.

Modern reactors commonly use purified water as a moderator,

Reatores modernos comumente usam água purificada como moderador,

porém os nêutrons desacelerados ainda estão rápidos.

but the scattered neutrons are still a little too fast.

To compensate and keep up the chain reaction,

Para compensar e manter a reação em cadeia

the concentration of U-235 is enriched

a concentração de U-235 é enriquecida

to four to seven times its natural abundance.

de quatro a sete vezes sua abundância natural.

Today, enrichment is often done by passing a gaseous uranium compound

Hoje, o enriquecimento é muitas vezes feito passando compostos gasosos de urânio

through centrifuges

por centrífugas

to separate lighter U-235 from heavier U-238.

para separar U-235 leve de U-238 pesado.

But the same process can be continued to highly enrich U-235

Mas o mesmo processo pode ser mantido para enriquecer muito o U-235

up to 130 times its natural abundance

até 130 vezes sua abundância natural

and create an explosive chain reaction in a bomb.

e criar uma reação em cadeia explosiva em uma bomba.

Methods like centrifuge processing must be carefully regulated

Métodos como processamento centrífugo devem ser regulados de maneira cuidadosa

to limit the spread of bomb-grade fuel.

para limitar a propagação do combustível da bomba.

Remember, only a fraction of the released fission energy

Lembrem-se, apenas uma fração da energia de fissão liberada

goes into speeding up neutrons.

chega a acelerar os nêutrons.

Most of the nuclear power goes into the kinetic energy of the fission products.

A maioria do poder nuclear vai para a energia cinética dos produtos da fissão.

Those are captured inside the reactor as heat by a coolant,

Essas são capturadas dentro do reator como calor por um líquido refrigerante,

comumente, água purificada.

usually purified water.

This heat is eventually used to drive an electric turbine generator by steam

Por fim o calor é usado para impulsionar um gerador de turbina elétrica por vapor

just outside the reactor.

fora do reator.

Water flow is critical not only to create electricity,

O fluxo de água é crítico, não apenas para criar eletricidade,

but also to guard against the most dreaded type of reactor accident,

mas também para prevenir o mais temido tipo de acidente com reator:

the meltdown.

a fusão.

If water flow stops because a pipe carrying it breaks,

Se o fluxo de água para por causa de um cano que quebrou,

or the pumps that push it fail,

ou a falha das bombas que o impulsionam,

the uranium heats up very quickly and melts.

o urânio esquenta muito rapidamente e derrete.

During a nuclear meltdown,

Durante a fusão nuclear,

vapores radioativos escapam para o reator,

radioactive vapors escape into the reactor,

and if the reactor fails to hold them,

e se o reator falha em contê-los,

a steel and concrete containment building is the last line of defense.

um edifício de ferro e concreto, é a última linha de defesa.

But if the radioactive gas pressure is too high,

Porém, se a pressão do gás radioativo é muito alta

containment fails and the gasses escape into the air,

a contenção falha e os gases escapam para o ar,

spreading as far and wide as the wind blows.

espalhando-se tão longe e largamente quanto o sopro do vento.

The radioactive fission products in these vapors

Os produtos da fissão radioativa nesses vapores

eventually decay into stable elements.

finalmente se decompõem em elementos estáveis.

While some decay in a few seconds,

Enquanto alguns se decompõem em poucos segundos,

others take hundreds of thousands of years.

outros levam centenas de milhares de anos.

The greatest challenge for a nuclear reactor

O maior desafio para um reator nuclear

is to safely contain these products

é conter esses produtos de maneira segura

and keep them from harming humans or the environment.

e evitar que eles prejudiquem os humanos ou o meio ambiente.

Containment doesn't stop mattering once the fuel is used up.

A contenção não deixa de ser importante quando o combustível já foi consumido.

In fact, it becomes an even greater storage problem.

Na realidade, ela torna-se um problema de armazenamento ainda maior.

A cada um ou dois anos,

Every one to two years,

some spent fuel is removed from reactors

os combustíveis irradiados são retirados dos reatores

and stored in pools of water that cool the waste

e armazenados em piscinas de água que esfriam o resíduo

and block its radioactive emissions.

e bloqueiam as emissões radioativas.

The irradiated fuel is a mix of uranium that failed to fission,

O combustível irradiado é uma mistura de urânio que não foi fissionado,

fission products,

produtos da fissão

and plutonium, a radioactive material not found in nature.

e plutônio, um material radioativo não encontrado na natureza.

This mix must be isolated from the environment

Essa mistura deve ser isolada do meio ambiente

until it has all safely decayed.

até que tenha se decomposto de maneira segura.

Vários países sugeriram o armazenamento em túneis muito profundos por longos períodos

Many countries propose deep time storage in tunnels drilled far underground,

but none have been built,

mas nenhum foi construído,

and there's great uncertainty about their long-term security.

e existe uma grande incerteza sobre segurança de longo prazo.

Como uma nação que existe há apenas algumas centenas de anos

How can a nation that has existed for only a few hundred years

plan to guard plutonium through its radioactive half-life

pretende vigiar plutônio por toda sua vida radioativa média

of 24,000 years?

de 24 mil anos?

Today, many nuclear power plants sit on their waste, instead,

Hoje, várias usinas nucleares ignoram seus resíduos,

storing them indefinitely on site.

armazenando-os dentro delas mesmas indefinidamente.

Além da radioatividade, existe um perigo ainda maior com combustível irradiado.

Apart from radioactivity, there's an even greater danger with spent fuel.

Plutonium can sustain a chain reaction

O plutônio pode sustentar uma reação em cadeia

and can be mined from the waste to make bombs.

e pode ser extraído do resíduo para fabricar bombas.

Storing spent fuel is thus not only a safety risk for the environment,

Estocar o combustível irradiado não é apenas um risco para o meio ambiente,

but also a security risk for nations.

mas também um risco de segurança para as nações.

Who should be the watchmen to guard it?

Quem devem ser os sentinelas para vigiar isso?

Visionary scientists from the early years of the nuclear age

Cientistas visionários dos primeiros anos da era nuclear

pioneered how to reliably tap the tremendous amount of energy

introduziram como explorar de maneira confiável a enorme quantidade de energia

inside an atom -

dentro de um átomo,

as an explosive bomb

como uma bomba explosiva

and as a controlled power source with incredible potential.

e como uma fonte controlada de energia com potencial incrível.

Mas os seus sucessores aprenderam humildes lições

But their successors have learned humbling insights

about the technology's not-so-utopian industrial limits.

sobre os não tão utópicos limites da indústria da tecnologia.

Mining the subatomic realm makes for complex, expensive, and risky engineering.

Explorar o reino subatômico é uma engenharia complexa, cara e arriscada.