Embora a participação da energia verde continue a crescer como o segmento de expansão mais rápida na matriz energética global, ela ainda fica significativamente atrás das opções convencionais de alto carbono devido a obstáculos de eficiência e capacidade. Essas limitações impedem que a energia verde se torne uma opção energética predominante e convencional. Que outra forma de energia escalável e que não emite CO2 poderia nos ajudar a reduzir essa lacuna até que a energia verde se torne uma realidade em larga escala para nós? O perfil livre de carbono, a eficiência comprovada e a escalabilidade da energia nuclear poderiam torná-la uma candidata à transição e, possivelmente, outra opção energética viável e amplamente aceita para o futuro?
Além de seu projeto de emissão zero, os aproximadamente 450 reatores nucleares em operação hoje funcionam com capacidade total mais de 90% do tempo, em comparação com 50% para o carvão e 25% para usinas solares. No entanto, apenas 10% da demanda total de eletricidade em todo o mundo é suprida por usinas nucleares (Figura 1). Por que a energia nuclear não cresceu mais rapidamente ao longo dos anos?
Embora seja uma opção comprovada e econômica para a produção de energia, a energia nuclear carrega uma imagem controversa devido aos riscos associados à radioatividade e seu impacto no meio ambiente. Os eventos de Chernobyl e Fukushima nos lembraram que a fissão atômica exige controle e vigilância impecáveis e que pequenos incidentes podem se transformar em grandes catástrofes.
Reações Nucleares e Radioatividade
Com mais de 18.000 anos-reator de experiência, a tecnologia de reatores nucleares está bem estabelecida, diversificada e beneficia-se de décadas de melhorias tecnológicas que tornam os reatores mais seguros, confiáveis, duráveis e eficientes.
Para gerar eletricidade, as usinas nucleares utilizam uma mistura de isótopos de urânio, principalmente 238U e 235U como combustível. A maioria das usinas nucleares comerciais utiliza combustível de urânio pouco enriquecido (LEU), que é urânio com 235U enriquecido entre 3-5%, ao contrário do urânio altamente enriquecido (HEU), que possui as concentrações de 235U de ~90% necessárias para aplicações de grau bélico.
Uma vez no reator como combustível LEU, 235U e 238U seguem dois caminhos de transformação atômica diferentes, como ilustra a Figura 3. Através da captura de um nêutron, e no caso do 238U que transmuta em 239Pu físsil, tanto o 239Pu quanto o 235U sofrem fissão em núcleos menores, ou seja, produtos de fissão. As reações de fissão também liberam três nêutrons e uma quantidade significativa de energia na forma de calor e radiação ionizante.
Essa transformação ou decaimento atômico é uma bênção e uma maldição. Uma bênção porque, em relação à pequena quantidade de combustível envolvida, produz enormes quantidades de energia que serão extraídas por meio de trocadores de calor e turbinas a vapor de alta pressão para gerar eletricidade. É uma maldição porque o decaimento atômico associado à transmutação também produz radiação ionizante e partículas, coletivamente chamadas de radioatividade. A radioatividade no reator para a produção de eletricidade é desejada, mas essa radioatividade persiste nos resíduos do combustível, chamados de “combustível irradiado”, e pode ser prejudicial se não for contida e controlada.
Após 3 a 5 anos de atividade nuclear contínua em um reator, a concentração de isótopos físseis no combustível acaba caindo abaixo do nível mínimo para manter uma reação em cadeia para fins de produção de eletricidade. O combustível irradiado é removido do reator e classificado como resíduo radioativo de “alto nível” (HLW). O HLW representa apenas 3% do volume total de resíduos radioativos, mas é responsável por 95% da radioatividade total dos resíduos. Portanto, o HLW é um foco importante das estratégias de gestão de resíduos radioativos em todo o mundo.
Uma usina nuclear média com capacidade de 1000 MWe (suficiente para suprir as necessidades de mais de um milhão de pessoas), produz de 25 a 30 toneladas de HLW por ano e zero emissões de carbono. Uma usina a carvão libera 300.000 toneladas de cinzas e mais de 6 milhões de toneladas de CO2 na atmosfera anualmente. No entanto, reduzir a pegada e o potencial radioativo dos resíduos nucleares por meio do reprocessamento e reutilização do combustível irradiado resolveria um complexo desafio de gestão de resíduos perigosos.
Opções de reciclagem de combustível nuclear irradiado
A tecnologia de reprocessamento de combustível nuclear irradiado existe desde o final da década de 1940. Ela é bem compreendida e tecnicamente comprovada, mas apenas alguns países investiram em reprocessamento. França e Rússia são os dois principais países que reprocessam e reutilizam combustível irradiado. Em média, cerca de 95% dos resíduos de combustível irradiado são urânio (a maior parte é 238U), 1% é plutônio e o restante é uma ampla variedade de produtos de fissão com número atômico menor e actinídeos menores (Figura 4). A tecnologia de reprocessamento de combustível irradiado permite a separação de isótopos de urânio e plutônio de outros actinídeos e produtos de fissão.
A opção de reprocessamento predominante é chamada PUREX (extração por redução de plutônio e urânio). O PUREX utiliza tecnologia de separação hidrometalúrgica para separar o combustível irradiado em três fases:
- Isótopos de urânio
- Isótopos de plutônio
- Produtos de fissão com actinídeos menores
Esta terceira fase é considerada HLW devido à presença desses actinídeos menores e dos produtos de fissão altamente radioativos de meia-vida média (ou seja, 90Sr e 137Cs com meias-vidas radioativas de cerca de 30 anos). A principal vantagem do PUREX é a reciclagem de grandes quantidades de urânio utilizável que, de outra forma, seriam consideradas resíduos, e a redução significativa no volume de HLW.
Embora o PUREX reduza o volume de resíduos, ele não aborda sua radioatividade. Além disso, a separação de 239Pu de outros actinídeos gera preocupações com a proliferação de armas nucleares.
Variantes do processo PUREX foram propostas e implementadas em todo o mundo para lidar com a radioatividade de HLW e os riscos de proliferação de plutônio. Essas variantes do PUREX consistem em misturar 239Pu com actinídeos menores, o que impediria sua utilização em armas, ao mesmo tempo em que criaria uma mistura de combustível de actinídeos reprocessado aceitável. Outras variantes consistem em misturar urânio, plutônio e todos os transurânicos (elementos com número atômico superior ao do urânio), deixando os produtos de fissão como o único resíduo.
A reciclagem de HLW faz sentido quando se considera que mais de 90% do urânio não é "queimado" quando as barras de combustível irradiado são removidas do reator. A reciclagem de urânio e plutônio não utilizados permite a geração de cerca de 25-30% a mais de eletricidade. No final de 2020, 400.000 toneladas de combustível usado haviam sido geradas globalmente a partir de reatores nucleares comerciais, das quais cerca de 120.000 toneladas (30%) foram reprocessadas e reutilizadas como combustível nuclear.
Avanços nos projetos de reatores nucleares
Avanços recentes no projeto de reatores nucleares melhoraram a eficiência e a segurança da produção de energia. A CAS Content Collection™ mostra um aumento significativo na atividade de patentes e periódicos desde 2018, indicando um interesse renovado, impulsionado principalmente por organizações na Ásia (Figuras 5a e 5b).
A Figura 6 mostra o volume de publicações associado a novos projetos avançados de reatores nucleares. Os dados confirmam o aumento da atividade de pesquisa em torno dessas novas tecnologias de reatores nucleares.
Potencial Futuro da Energia Nuclear
O renascimento da energia nuclear tem sido um tema recorrente, mas vários obstáculos e desafios ainda dificultam que a energia nuclear cumpra a esperança e a promessa que gerou décadas atrás. O grande capital inicial, as mudanças nas regulamentações, os estouros de custos e a polarização política tornaram a entrega de usinas nucleares uma jornada tortuosa de uma década. Isso tem sido um sério impedimento para que governos e investidores considerem a energia nuclear, mesmo que suas vantagens e potencial sejam comprovados e inegáveis. Um artigo recente do Wall Street Journal também aborda alguns desses desafios, bem como desenvolvimentos recentes no campo das tecnologias de energia nuclear.
A necessidade de fontes de energia livres de carbono, os avanços em novas tecnologias de reatores e as novas alternativas de reciclagem e reutilização de combustível irradiado podem impulsionar a energia nuclear como uma ferramenta fundamental no arsenal para combater o desafio global das mudanças climáticas.
Agradecimentos a Elaine McWhirter pela consultoria científica.
Referências para a Animação Nuclear
IAE, World Energy Outlook. https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2022 (acessado em 09/01/2023)
World Nuclear Association. https://world-nuclear.org/nuclear-essentials/how-can-nuclear-combat-climate-change.aspx (acessado em 09/09/2022)
NEK. https://www.nek.si/en/longevity-for-sustainability/production-performance/high-energy-density-of-uranium-is-one-of-key-advantages-of-nuclear-energy (acessado em 09/09/2022)
World Nuclear Association. https://www.world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/fuel-recycling/processing-of-used-nuclear-fuel.aspx (acessado em 09/09/2022) IAE,
World Energy Outlook. https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2022 (acessado em 09/01/2023)
