Superado apenas pela fusão nuclear, o processo de fissão nuclear libera enormes quantidades de energia. As "rochas picantes" que estão no centro dos reatores de fissão naturais e artificiais são geralmente compostas de urânio-235 (U-235) junto com outros isótopos que podem ou não desempenhar um papel no processo de fissão.
Há muito tempo atrás, quando a Terra ainda era muito jovem, a proporção de U-235 físsil para U-238 fértil era suficientemente alta para que a fissão nuclear começasse espontaneamente, como aconteceu no que é hoje a região de Oklo , no Gabão.
Embora a decadência natural do U-235 signifique que é improvável que isso aconteça novamente, nós, humanos, aprendemos a pegar minério de urânio e iniciar um processo de fissão controlado em reatores, começando na década de 1940. Isso pode ser feito usando minério de urânio natural ou com urânio enriquecido (ou seja, níveis mais altos de U-235).
Em um reator de água leve (LWR) padrão, alguns por cento do U-235 são usados dessa forma, após o que produtos de fissão, principalmente actinídeos menores, começam a inibir o processo de fissão, e combustível novo é inserido.
Processo s e Processo r
Formar núcleos tão pesados quanto o urânio requer algo mais do que o processo padrão de formação de núcleos ( processo s ) na estrela média. Uma parte integrante da astrofísica nuclear, o processo s significa "lento" e se refere à taxa de captura de nêutrons dos núcleos.
Essencialmente, ele se refere ao número de capturas de nêutrons que acontecem antes que a decadência nuclear possa ocorrer. O processo s é suficiente para criar muitos dos elementos que conhecemos da tabela periódica mais pesados que o ferro (Fe) por meio de várias cadeias de decaimento, com os elementos restantes exigindo o fluxo de densidade de nêutrons muito maior do rápido, ou processo r.
Processo s
O processo s exige núcleos semente do próton, ou processo p, enquanto o processo r com eventos de captura de nêutrons de muitas ordens de magnitude mais altas pode criar seus próprios núcleos e, a partir deles, os elementos pesados, como a série de actinídeos que inclui amerício, plutônio, bem como uma gama de elementos sintéticos comumente chamados de elementos transurânicos: os transurânicos. Dentro de um contexto astrofísico, no entanto, as estrelas de nêutrons são provavelmente a maior fonte desses elementos mais pesados.
Processo r
O processo r, ou "rápido", se refere à taxa de captura de nêutrons dos núcleos. Ele exige um fluxo de densidade de nêutrons muito maior do que o processo s, permitindo a criação de elementos pesados como a série de actinídeos, incluindo amerício, plutônio e uma variedade de elementos transurânicos sintéticos.
Enriquecimento de Urânio
Uma vez que essa proverbial poeira estelar tenha passado pela formação do planeta, a primeira vida multicelular pode evoluir para vida inteligente ao longo de alguns milhões de anos. Depois disso, a dita vida inteligente pode então prosseguir para escavar minério de urânio para uso em um reator de fissão nuclear.
Durante os milhões de anos que a humanidade levou para evoluir até este ponto, no entanto, o U-235 físsil já sofreu grande decaimento, enquanto o isótopo fértil U-238, que pode se tornar físsil após captura de nêutrons, agora compõe a maior parte do minério de urânio recuperado hoje. É por isso que para certos tipos de reatores de fissão que usam nêutrons lentos o combustível de urânio é "enriquecido" , o que significa que a quantidade de U-235 nele é aumentada dos 0,7% naturais aproximados para 3 a 5% para uso em LWRs.
Reprocessamento e Piroprocessamento
Após a etapa de enriquecimento opcional, a fabricação do combustível pode começar. Os pellets de combustível tipicamente cerâmicos são então inseridos em um reator de fissão e o U-235 é exposto a uma fonte de nêutrons que então dá início a uma reação nuclear em cadeia.
A exposição de isótopos físseis a nêutrons resulta em rápida decadência nuclear, ao longo de cadeias de decaimento bem conhecidas em uma gama de isótopos diferentes. Alguns deles são úteis – como o Pu-239 físsil – mas os actinídeos menores, Pu-240, bem como outros isótopos que são formados dentro dos pellets de combustível LWR cerâmicos interferirão na reação em cadeia nuclear, reduzindo sua eficiência.
Após substituir esse combustível gasto por combustível novo, o combustível LWR gasto pode então ser processado de várias maneiras para usar os isótopos físseis restantes, sendo os principais o reprocessamento e o piroprocessamento.
Reprocessamento
Efetivamente, o combustível LWR gasto não é tão diferente do minério de urânio, com os isótopos sendo separados do material cerâmico em vez dos minerais no minério de urânio. Este processo pode ser realizado de algumas maneiras:
- Hidrometalurgia – dissolução em uma solução aquosa, por exemplo, PUREX.
- Eletrometalurgia – usando corrente elétrica.
- Pirometalurgia – fundição de pelotas para separar o metal do mineral.
Destes, a hidrometalurgia é o método mais antigo, bem como o mais comumente usado. A usina de reprocessamento de La Hague, na França, processa cerca de 1700 toneladas de combustível irradiado por ano usando o método PUREX (plutônio-urânio-extração), que usa ácido nítrico concentrado para auxiliar na separação do urânio e do plutônio por meio de etapas de extração de solvente ao longo das quais vários outros isótopos (por exemplo, neptúnio para produção de Pu-238) podem ser recuperados separadamente.
Piroprocessamento
O líquido restante após o PUREX contém cerca de 3% do material combustível usado original, que geralmente é descartado como resíduo de alto nível com esse processo de reprocessamento. O urânio e o plutônio recuperados são então usados junto com urânio fresco para criar um combustível de mistura (óxido misto ou MOX) que pode ser usado em LWRs novamente.
Reatores de Água Pesada Pressurizada (PHWRs) e Reatores de Nêutrons Rápidos (FNRs)
É aqui que os reatores de água pesada pressurizada (PHWRs) e os reatores de nêutrons rápidos (FNRs) podem fornecer o elo que faltava para fechar completamente o ciclo do combustível de urânio.
O reator PHWR usa a chamada "água pesada" (deutério), que, diferentemente de seu irmão mais leve, não modera nêutrons, permitindo assim que um PHWR também trabalhe com nêutrons rápidos. Diferentemente dos nêutrons térmicos mais lentos em LWRs moderados por água, isso significa que esses reatores também podem usar muito mais isótopos férteis no combustível.
Já os FNRs podem efetivamente funcionar como um reprodutor (transformando isótopos férteis em fissionáveis) enquanto queimam todos os isótopos fissionáveis. Como isso inclui actinídeos menores e transurânicos, isso significa que em um FNR teoricamente cada último pedaço de combustível radioativo pode ser usado, não deixando resíduos radioativos para manusear.
Por que não queimamos totalmente o combustível de urânio hoje?
Uma característica definidora das usinas de fissão nuclear é que os custos de combustível acabam sendo praticamente um erro de arredondamento ao longo de sua vida útil. Isso é definido tanto pela abundância de minério de urânio quanto pelas quantidades relativamente pequenas dele necessárias para o ciclo de reabastecimento de aproximadamente dois anos de um LWR.
Embora países como a França reprocessem praticamente todo o seu combustível LWR, isso é mais uma parte de sua estratégia de independência energética, mesmo que tenha o benefício de minimizar a quantidade de resíduos nucleares. Além disso, com o atual ressurgimento de novas construções nucleares, os preços das commodities de urânio também subiram, junto com as minas de urânio recentemente (re)abertas recebendo muito interesse dos investidores.
Portanto, a economia diz que com maneiras mais econômicas de fechar o ciclo do combustível de urânio, reprocessar, reutilizar e queimar o combustível de urânio se torna a abordagem lógica. Antes mesmo de explorar isótopos férteis como o tório 232, o urânio que podemos extrair hoje para produção de energia deve ser suficiente para durar muitos milhares de anos.
