Energia nuclear é a energia liberada em transformações do núcleo dos átomos, aproveitada sobretudo nas usinas nucleares, onde a fissão nuclear de urânio e plutônio fornece calor para produzir vapor e movimentar turbinas que geram eletricidade. O decaimento radioativo também pode alimentar equipamentos menores, como sondas espaciais. A fusão nuclear, que une núcleos leves, ainda é estudada para a geração de eletricidade.
Desde a entrada em operação das primeiras usinas na década de 1950, a fissão passou a fazer parte da geração de eletricidade em muitos países e respondeu por cerca de 9% da produção mundial em 2024, atrás apenas das hidrelétricas entre as fontes de baixo carbono. Acidentes como os de Three Mile Island, Chernobyl e Fukushima trouxeram mudanças nas regras de segurança e alimentaram o debate público.
A geração nuclear emite pouco gás de efeito estufa por unidade de eletricidade quando se consideram a construção da usina, o preparo do combustível e as demais etapas de seu funcionamento. Comparações que levam em conta acidentes e poluição atmosférica também a situam entre as fontes com menores taxas estimadas de mortalidade por unidade de eletricidade. Os custos, a gestão dos resíduos radioativos e o risco de proliferação de armas nucleares pesam nas decisões sobre seu uso.
Fundamentos físicos
esquerda|miniatura|upright=1.1|alt=Esquema em etapas de um nêutron provocando a fissão de um núcleo e de nêutrons que iniciam outras fissões|Na reação em cadeia, nêutrons liberados pela fissão podem atingir outros núcleos e provocar novas fissões.
Átomos de um mesmo elemento têm o mesmo número de prótons no núcleo, mas podem conter números diferentes de nêutrons. Essas versões são os isótopos, e mudanças em seus núcleos podem liberar energia. O urânio-235, por exemplo, pode sustentar uma reação de fissão em cadeia, e a proporção desse isótopo determina como o combustível será preparado.Um material físsil pode sofrer fissão ao receber um nêutron e, nas condições adequadas, ajudar a manter a reação em cadeia. Nem todo isótopo de urânio se comporta da mesma maneira.
Quando um nêutron atinge o núcleo de um átomo de urânio-235 ou plutônio, ele pode dividir o núcleo em dois núcleos menores, o que é uma reação de fissão nuclear. A divisão libera energia e nêutrons capazes de atingir outros núcleos de urânio ou plutônio. Cada nova fissão pode liberar outros nêutrons, mantendo a reação em cadeia. Na maioria dos reatores comerciais, a taxa de reação é controlada por barras de controle que absorvem o excesso de nêutrons. Uma pequena parcela dos nêutrons surge com atraso, o que dá aos sistemas de controle tempo para reagir.Esses nêutrons surgem depois da maioria dos outros. O pequeno intervalo ajuda os sistemas de controle a acompanhar as mudanças no reator. As barras podem então ser movidas para ajustar o ritmo das fissões. Quando a reação em cadeia se sustenta, diz-se que o reator atingiu a criticidade. Essa condição também ocorre durante a operação normal.Em física de reatores, crítico significa que a reação em cadeia se mantém estável. A palavra, aqui, não quer dizer que ocorreu uma emergência.
O calor liberado no decaimento radioativo de um núcleo instável pode alimentar geradores termoelétricos de radioisótopos em sondas espaciais, sem depender da reação em cadeia usada em um reator de fissão.No decaimento, um núcleo instável se transforma espontaneamente. Na fissão usada em um reator, nêutrons provocam novas divisões de núcleos e sustentam a reação em cadeia. A fusão nuclear une núcleos leves, mas ainda não há usinas de fusão fornecendo eletricidade à rede. As usinas nucleares em operação utilizam fissão.
Usinas nucleares esquerda|miniatura|upright=1.2|alt=Animação dos circuitos de água, do núcleo do reator, da turbina e do gerador de uma usina nuclear|thumbtime=2|No reator de água pressurizada, o calor do núcleo passa a um segundo circuito, cujo vapor aciona a turbina.
Usinas nucleares são usinas termelétricas que geram eletricidade utilizando a energia térmica liberada pela fissão nuclear. Dentro do reator nuclear, as reações nucleares aquecem o combustível. Um sistema de resfriamento leva esse calor até a água que produzirá vapor. O vapor movimenta uma turbina a vapor, ligada a um gerador elétrico que transforma o movimento em eletricidade.A turbina gira com o vapor; esse movimento aciona o gerador. A eletricidade vem do giro, embora o calor inicial seja produzido no reator.
Principais tipos de reator + Reatores civis de geração elétrica por tipo, em 2014 Tipo Reatores Reator de água pressurizada (PWR) 277 Reator de água fervente (BWR) 80 Reator refrigerado a gás (GCR) 15 Reator de água pesada pressurizada (PHWR) 49 Reator moderado a grafite e refrigerado a água (LWGR) 15 Reator reprodutor rápido (FBR) 2
Conforme o projeto, reatores usam combustíveis e fluidos de resfriamento diferentes, mas todos precisam retirar o calor produzido no núcleo. Em muitos deles, um moderador nuclear diminui a velocidade dos nêutrons, facilitando novas fissões.O moderador não é o mesmo que uma barra de controle: ele reduz a velocidade dos nêutrons, enquanto as barras absorvem parte deles para regular a reação. Um mesmo material, como a água, pode exercer as duas funções.
Nos reatores de água pressurizada (PWR), a água do circuito que atravessa o núcleo permanece líquida sob alta pressão e transfere calor a um segundo circuito, no qual é produzido o vapor que aciona a turbina.Nesse tipo de reator, o circuito que passa pelo núcleo transfere calor ao outro circuito. A água dos dois circuitos não precisa se misturar. Nos reatores de água fervente (BWR), a água ferve no próprio núcleo e o vapor é encaminhado à turbina. Ambos usam água comum como refrigerante e moderador. Os reatores de água pesada pressurizada (PHWR), entre os quais se encontra o CANDU, usam água pesada como moderador e podem funcionar com urânio natural.A água pesada contém uma forma de hidrogênio chamada deutério. Ela reduz a velocidade dos nêutrons absorvendo relativamente poucos deles, o que ajuda alguns projetos a usar urânio não enriquecido. Outros projetos empregam grafite como moderador ou gases como refrigerante.
Operação na rede elétrica direita|miniatura|upright=1.0|alt=Operadores diante de painéis de instrumentos na sala de controle da usina de Dukovany|O acompanhamento da operação em sala de controle permite ajustar a produção e vigiar as condições do reator.
Embora a produção de algumas usinas possa ser ajustada à demanda, é comum mantê-las em funcionamento por longos períodos, fornecendo a eletricidade de que a rede precisa continuamente. Isso distribui os altos custos de construção por uma quantidade maior de eletricidade gerada.Eletricidade de base é a produção mantida por muitas horas para atender à parte contínua da demanda. Isso não significa que a potência de uma usina nunca possa variar.
Quando o projeto permite, a usina pode aumentar ou reduzir a produção conforme a demanda e ajudar a manter estável a frequência da rede.A frequência da rede varia quando geração e consumo deixam de se equilibrar. Ajustar a potência de algumas usinas ajuda a manter esse equilíbrio. A possibilidade de operar dessa forma depende do projeto da usina e das necessidades da rede. A operação flexível pode ajudar a integrar as fontes eólica e solar, mas afeta equipamentos, combustível e custos operacionais.
Descomissionamento esquerda|miniatura|upright=1.0|alt=Demolição de torres de resfriamento da usina nuclear de Calder Hall|O encerramento de uma usina inclui a desmontagem das estruturas e a gestão dos materiais provenientes da instalação.
Ao encerrar as atividades de uma instalação nuclear, começa o descomissionamento: seus equipamentos são retirados e suas estruturas são tratadas até que as medidas especiais de proteção radiológica deixem de ser necessárias, retornando a instalação e suas partes a um nível de segurança suficiente para serem confiadas a outros usos.Descomissionar envolve etapas como retirar o combustível, descontaminar materiais e desmontar estruturas. É um processo planejado, não apenas desligar o reator. A presença de materiais radioativos exige cuidado na desmontagem e eleva seus custos. Em geral, o dinheiro para essa etapa é reservado durante os anos de funcionamento da instalação em um fundo de descomissionamento.
História
Origens direita|miniatura|upright=1.0|alt=Aparelhagem experimental de 1938 exposta no Deutsches Museum, com tubos e instrumentos de laboratório|A identificação dos produtos da fissão em 1938 abriu caminho para a compreensão da reação em cadeia.
O estudo da radioatividade e da estrutura dos átomos preparou o caminho para a descoberta da fissão nuclear em 1938. Otto Hahn e Fritz Straßmann identificaram bário entre os produtos do bombardeamento de urânio com nêutrons. Lise Meitner e seu sobrinho Otto Frisch interpretaram o resultado como uma divisão do núcleo e deram ao processo o nome de fissão. Os nêutrons liberados por um núcleo dividido poderiam, sob as condições certas, atingir núcleos vizinhos e manter uma reação em cadeia. Uma vez que isso foi confirmado experimentalmente em 1939, cientistas de muitos países solicitaram a seus governos apoio para a pesquisa de fissão nuclear, justamente na iminência da Segunda Guerra Mundial, a fim de desenvolver uma arma nuclear.
Nos Estados Unidos, esses esforços de pesquisa levaram à criação do primeiro reator nuclear construído pelo homem, o Chicago Pile-1, sob o estádio Stagg Field da Universidade de Chicago, que atingiu a criticidade em 2 de dezembro de 1942. O desenvolvimento do reator fez parte do Projeto Manhattan, o esforço dos Aliados para criar bombas atômicas durante a Segunda Guerra Mundial. Reatores maiores foram construídos para produzir o plutônio destinado às primeiras armas nucleares. Os Estados Unidos testaram a primeira arma nuclear em julho de 1945, a experiência Trinity, e os bombardeios atômicos de Hiroshima e Nagasaki ocorreram um mês depois.
Mesmo com o desenvolvimento inicial voltado às armas, nas décadas de 1940 e 1950 havia a expectativa de que os reatores também fornecessem energia barata e abundante. A eletricidade foi gerada pela primeira vez por um reator nuclear em 20 de dezembro de 1951, na estação experimental EBR-I perto de Arco, Idaho, que inicialmente produziu cerca de 100 kW. Em 1953, o presidente americano Dwight Eisenhower fez seu discurso "Átomos para a Paz" nas Nações Unidas, enfatizando a necessidade de desenvolver rapidamente usos "pacíficos" da energia nuclear. Isso foi seguido pela Lei de Energia Atômica de 1954, que permitiu a rápida desclassificação da tecnologia de reatores dos EUA e incentivou o desenvolvimento pelo setor privado.
Primeira geração de eletricidade esquerda|miniatura|upright=1.0|alt=Quatro lâmpadas acesas pela eletricidade produzida no reator EBR-I|Em 1951, o reator experimental EBR-I demonstrou pela primeira vez a geração de eletricidade por fissão, acendendo estas quatro lâmpadas.
A primeira organização a desenvolver uma aplicação prática da energia nuclear foi a Marinha dos EUA, com o reator S1W como protótipo da propulsão de submarinos nucleares. A tecnologia viria a ser empregada também em porta-aviões. O primeiro submarino de propulsão nuclear, o submarino USS Nautilus, foi lançado ao mar em janeiro de 1954. O reator S1W era um reator de água pressurizada. A água pressurizada permitia um conjunto compacto e relativamente simples de operar, qualidades úteis a bordo de um submarino. O mesmo tipo de reator seria adotado depois para gerar eletricidade em terra.
direita|miniatura|upright=1.0|alt=Edifícios e torres da usina nuclear de Calder Hall|Calder Hall, no Reino Unido, foi a primeira usina nuclear comercial conectada à rede elétrica.