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

Tradutor: Margarida Ferreira Revisora: Isabel Vaz Belchior

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

Numa tarde de dezembro, em Chicago, durante os meados da II Guerra Mundial,

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

cientistas desvendaram o núcleo no centro do átomo do urânio

e transformaram a massa nuclear em energia, vezes sem conta.

and turned nuclear mass into energy over and over again.

Fizeram isso criando, pela primeira vez,

They did this by creating for the first time

a chain reaction inside a new engineering marvel:

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

the nuclear reactor.

o reator nuclear.

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

Desde aí, a capacidade de extrair grande quantidade de energia do núcleo do urânio

has led some to bill nuclear power

levou alguns a considerar a energia nuclear

as a plentiful utopian source of electricity.

como uma fonte de eletricidade abundante e utópica.

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

Um reator nuclear moderno gera energia suficiente a partir de 1 kg de combustível

to power an average American household for nearly 34 years.

para abastecer a casa de uma família média americana durante quase 34 anos.

But rather than dominate the global electricity market,

Mas, em vez de dominar o mercado mundial da eletricidade,

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

a energia nuclear decresceu de um máximo de 18%, em 1996,

to 11% today.

para 11% nos dias de hoje

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

e espera-se que decresça ainda mais nas próximas décadas.

O que aconteceu à grande promessa desta tecnologia?

What happened to the great promise of this technology?

It turns out nuclear power faces many hurdles,

Acontece que a energia nuclear enfrenta vários obstáculos,

including high construction costs

incluindo grandes custos de construção

and public opposition.

e a oposição pública.

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

Por detrás destes problemas, encontram-se muitos problemas de engenharia únicos.

Nuclear power relies on the fission of uranium nuclei

A energia nuclear baseia-se na divisão dos núcleos dos átomos de urânio

and a controlled chain reaction

e numa reação em cadeia, controlada,

that reproduces this splitting in many more nuclei.

que reproduz esta divisão em muitos mais núcleos.

O núcleo atómico é povoado densamente por protões e neutrões

The atomic nucleus is densely packed with protons and neutrons

bound by a powerful nuclear force.

unidos por uma potente força nuclear.

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

A maioria dos átomos de urânio tem um total de 238 protões e neutrões,

but roughly one in every 140 lacks three neutrons,

mas cerca de 1 em cada 140 tem 3 neutrões a menos.

Este isótopo mais leve está menos fortemente ligado.

and this lighter isotope is less tightly bound.

Compared to its more abundant cousin,

Em comparação com o seu primo menos abundante,

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

o impacto de um neutrão divide facilmente os núcleos do U-235

into lighter, radioactive elements called fission products,

em elementos radioativos mais leves chamados produtos de fissão,

in addition to two to three neutrons,

para além de dois a três neutrões,

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 transforma-se em energia.

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

Uma fração da nova energia ativa o movimento rápido dos neutrões

and if some of them strike uranium nuclei,

e, se alguns deles atingem os núcleos do urânio,

fission results in a second larger generation of neutrons.

a fissão dá lugar a uma segunda produção ainda maior de neutrões.

If this second generation of neutrons strike more uranium nuclei,

Se esta segunda produção de neutrões atingir mais núcleos de urânio,

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

haverá mais fissões numa terceira geração ainda maior, e assim por diante.

Mas dentro de um reator nuclear,

But inside a nuclear reactor,

this spiraling chain reaction is tamed using control rods

esta espiral de reações em cadeia é regulada usando hastes de controlo

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

feitas de elementos que captam os neutrões em excesso

e controlam o seu número.

With a controlled chain reaction,

Com uma reação em cadeia controlada,

a reactor draws power steadily and stably for years.

um reator produz energia de forma regular e estável durante anos.

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

A reação em cadeia dos neutrões é um poderoso processo

de produção de energia nuclear,

but there's a catch that can result

mas há um problema que pode provocar

in unique demands on the production of its fuel.

exigências especiais na produção do seu combustível.

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

A maioria dos neutrões emitidos por fissão têm demasiada energia cinética

to be captured by uranium nuclei.

para poderem ser capturados pelos núcleos do urânio.

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

O ritmo da fissão é demasiado baixo e a reação em cadeia não ocorre.

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

O primeiro reator nuclear construído em Chicago, usou a grafite como moderador

to scatter and slow down neutrons just enough

para dispersar e abrandar os neutrões, o suficiente

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

para aumentar a sua captura pelo urânio e acelerar o ritmo da fissão.

Modern reactors commonly use purified water as a moderator,

Os reatores modernos usam habitualmente água purificada como moderador,

mas os neutrões dispersos continuam demasiado 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 do U-235 é enriquecida

to four to seven times its natural abundance.

mais quatro a sete vezes do que a sua abundância natural.

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

Hoje em dia, o enriquecimento faz-se geralmente

passando um composto de urânio gasoso por centrifugadoras

through centrifuges

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

para separar o U-235 mais leve do U-238 enriquecido.

Mas o mesmo processo pode continuar para enriquecer o U-235

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

up to 130 times its natural abundance

até 130 vezes mais do que a sua abundância natural

and create an explosive chain reaction in a bomb.

e criar uma reação em cadeia explosiva numa bomba.

Methods like centrifuge processing must be carefully regulated

Os métodos como o processamento centrífugo têm que ser cuidadosamente regulados

to limit the spread of bomb-grade fuel.

para limitar a dispersão do combustível que permite a criação de bombas.

Remember, only a fraction of the released fission energy

Lembrem-se que só uma fração da energia de fissão libertada

goes into speeding up neutrons.

faz acelerar os neutrões.

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

A maior parte da energia nuclear

vai para a energia cinética dos produtos de fissão.

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

Esses são capturados no interior do reator, sob a forma de calor,

por um líquido de refrigeração, normalmente água pura.

usually purified water.

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

Esse calor acaba por ser usado

para alimentar um gerador elétrico, com turbina a vapor,

just outside the reactor.

no exterior do reator.

Water flow is critical not only to create electricity,

O fluxo da água é fundamental não só para criar eletricidade,

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

como para impedir o acidente mais temido de um reator,

the meltdown.

a fusão.

If water flow stops because a pipe carrying it breaks,

Se o fluxo da água parar, por causa de um furo na canalização

or the pumps that push it fail,

ou de uma avaria nas bombas que a impulsionam,

the uranium heats up very quickly and melts.

o urânio aquece muito rapidamente e derrete.

During a nuclear meltdown,

Durante uma fusão nuclear,

radioactive vapors escape into the reactor,

escapam-se vapores radioativos para o reator

and if the reactor fails to hold them,

e, se o reator não consegue contê-los,

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

a última linha de defesa é um edifício de contenção, de aço e betão.

Mas, se a pressão do gás radioativo for demasiado alta,

But if the radioactive gas pressure is too high,

containment fails and the gasses escape into the air,

essa defesa fracassa e os gases escapam-se para o ar,

spreading as far and wide as the wind blows.

espalhando-se até onde os ventos os transportarem.

The radioactive fission products in these vapors

Os produtos da fissão radioativa nesses vapores

eventually decay into stable elements.

acabam por se degradar em elementos estáveis.

While some decay in a few seconds,

Enquanto alguns se degradam 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 problema dum reator nuclear

is to safely contain these products

é conter esses produtos com segurança

and keep them from harming humans or the environment.

e impedir que prejudiquem as pessoas ou o meio ambiente.

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

A contenção continua a ser um problema depois de usado o combustível.

In fact, it becomes an even greater storage problem.

Com efeito, passa a ser um problema ainda maior de armazenagem.

Uma vez por ano, ou de dois em dois anos,

Every one to two years,

some spent fuel is removed from reactors

parte do combustível usado é retirado dos reatores

and stored in pools of water that cool the waste

e guardado em tanques de água que arrefece os resíduos

and block its radioactive emissions.

e bloqueia 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 sofreu a fissão,

fission products,

produtos de fissão,

and plutonium, a radioactive material not found in nature.

e plutónio, um material radioativo que não se encontra na natureza.

This mix must be isolated from the environment

Esta mistura tem que ser isolada do meio ambiente

until it has all safely decayed.

até se ter degradado, com segurança.

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

Muitos países propõem um armazenamento em túneis subterrâneos profundos

but none have been built,

mas nunca se construíram nenhuns

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

e há uma grande incerteza quando à segurança a longo prazo.

Como é que um país que só existe há poucas 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

pode planear guardar o plutónio que tem meia-vida radioativa

of 24,000 years?

de 24 000 anos?

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

Hoje, muitas centrais nucleares guardam os seus desperdícios,

storing them indefinitely on site.

armazenando-os indefinidamente no local.

Para além da radioatividade, há um perigo ainda maior com o combustível usado.

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

Plutonium can sustain a chain reaction

O plutónio pode alimentar uma reação em cadeia

and can be mined from the waste to make bombs.

e pode ser extraído dos resíduos para fabricar bombas.

Guardar o combustível usado

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

não só é um risco de segurança para o meio ambiente

but also a security risk for nations.

como um risco de segurança para as nações.

(Explosão)

Quem será o guardião que o proteja?

Who should be the watchmen to guard it?

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

foram os primeiros a aproveitar a tremenda quantidade de energia

inside an atom -

no interior de um átomo

as an explosive bomb

como uma bomba explosiva

and as a controlled power source with incredible potential.

e como uma fonte de energia controlada com um potencial incrível.

But their successors have learned humbling insights

Mas os seus sucessores aprenderam com humildade

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

os limites industriais pouco utópicos da tecnologia.

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

Explorar o reino subatómico

é uma engenharia complexa, dispendiosa e arriscada.