Como funciona: Usina nuclear

O método que as usinas nucleares utilizam para obter energia elétrica é chamado de fissão nuclear e consiste na quebra de átomos grandes em menores. Apesar de ser um processo físico extremamente complexo com inúmeras variáveis ele pode ser explicado e assimilado facilmente.

A física da fissão nuclear

O método que as usinas nucleares utilizam para obter energia elétrica é chamado de fissão nuclear e consiste na quebra de átomos grandes em menores. Apesar de ser um processo físico extremamente complexo com inúmeras variáveis ele pode ser explicado e assimilado facilmente. A fissão de núcleos atômicos ocorre devido ao lançamento de um nêutron em alta velocidade no átomo, ou seja, partículas chamadas nêutrons são lançadas na direção de um átomo e o nêutron se funde ao núcleo deste átomo causando um desequilíbrio no átomo. Esse desequilíbrio causado pelo nêutron faz com que o núcleo do átomo, agora totalmente instável e incapaz de continuar coeso, se separe formando outros dois átomos e liberando outros nêutrons.

                     

A liberação destes novos nêutrons devido a fissão do primeiro núcleo atômico cria uma reação em cadeia na qual cada átomo fissurado possibilita a fissura de outros dois átomos, que por sua vez serão responsáveis pela fissura de mais dois átomos. A reação continua até que todo material físsil seja fissurado incapacitando os nêutrons livres de criar novas fissões nucleares. 

Criando material fissionável: o enriquecimento de urânio

Agora que já sabemos como os princípios da fissão nuclear funcionam precisamos encontrar o material certo para isso. Nem todos os átomos da natureza são capazes de sofrer uma fissão nuclear induzida (urânio-238). No planeta Terra o elemento químico urânio é comum, porém o tipo de urânio que pode sofrer uma fissão induzida é bastante raro (urânio-235). Estima-se que para cada 1.000 átomos de urânio apenas 7 são de urânio-235 e 993 são de urânio-238. Faz-se necessário então criar um processo que, de alguma forma, transforme os átomos de urânio-238 em urânio-235 e este é o chamado enriquecimento de urânio. Então se um tablete de urânio que sofreu transformações físicas para aumentar a taxa de urânio-235 é chamado de urânio enriquecido.



Antes de se enriquecer o urânio é necessário retira-lo da natureza. Caminhões trazem das minas de escavação o mineral bruto cuja porcentagem de urânio é inferior a 0,5%. O urânio, em estado sólido, é separado dos demais minerais e transformado em gás através de reações químicas e recebe o nome de hexafluorido de urânio. Esse composto gasoso, agora, sofrerá um processo no qual o resultado será a separação dos átomos de urânio-235 dos átomos de urânio-238. Este método pode ser a difusão gasosa ou a ultracentrifugação. No término do processo haverá quantidades mais concentradas de urânio-235 na quantidade exata requerida.

Produzindo energia elétrica na usina nuclear

Existem diversos tipos de usinas nucleares, entretanto seu princípio é fundamentalmente o mesmo. As pastilhas, péletes (forma de pílula) ou ainda varetas de urânio são responsáveis por todo o processo de geração de energia. Ele se inicia com a reação nuclear de fissão que gera um enorme volume de energia que tem como subproduto o calor. Esse calor será utilizado para aquecer grandes quantidades de água. A água nos reatores possui dois papéis importantes: por um lado é responsável por girar uma turbina que por sua vez gira um gerador elétrico que é o equipamento que cria a energia elétrica e por outro é responsável por ajudar a controlar a temperatura da fissão, caso contrário o urânio poderia superaquecer e derreter. 

                      

O vapor de água passa pela turbina à temperaturas extremamente altas. Esse vapor é resfriado por um sistema de troca de calor, que pode ser um sistema isolado com, por exemplo, líquidos ou gases refrigerantes com a finalidade de transformar o vapor em água liquida para o ciclo continue. Usinas nucleares que possuem esse sistema podem operar em temperaturas mais altas produzindo assim mais energia. Hastes de controle são introduzidas no sistema para, juntamente com a água, ajudar a controlar a temperatura do reator. Essas hastes possuem a capacidade de absorver nêutrons, impedindo assim futuras quebras atômicas que estes desencadeariam reduzindo, portanto, a temperatura do sistema. A quantidade de hastes depende de cálculos precisos feitos de acordo com o nível de enriquecimento de urânio, capacidade de resfriamento da água entre outros fatores.
As turbinas, que são impulsionadas pelo vapor, giram rapidamente devido a pressão do gás que passa em alta velocidade. Utilizando um princípio parecido com a utilizada por usinas hidroelétricas, as usinas nucleares transformam a energia cinética do gás em energia mecânica que gira as turbinas que por sua vez girará um gerador elétrico. Esse gerador irá criar energia elétrica que será levada para torres de transmissão e distribuída na rede de energia.

As vantagens e desvantagens da usina nuclear

Apesar da possibilidade de acidentes ao longo da vida de uma usina nuclear é comprovada a eficácia destas estruturas em desempenhar sua função e produzirem energia de forma muito mais limpa. Uma das principais vantagens que podem ser citadas é a quantidade de urânio-235 necessária para produzir energia. Apenas 10g de urânio podem ser suficientes para produzir a mesma quantidade de energia que 700 kg de petróleo e 1200 kg de carvão. A eficiência das usinas nucleares é fantástica comparando-a com a eficiência de uma usina termoelétrica, por exemplo. As usinas nucleares não lançam gases estufa no planeta, logo elas não contribuem para o aquecimento global. É uma forma muito mais limpa de produzir energia elétrica.

                

Em relação às desvantagens de uma usina nuclear podemos citar alguns itens. Um dos principais problemas que uma usina nuclear pode causar é o lixo radioativo. Esse material é resultado da fissão nuclear e por ser radioativo não pode ser deixado exposto uma vez que essa radiação causaria problemas para a fauna e flora da região em que o material se encontra. O lixo radioativo de uma usina nuclear pode demorar centenas de anos para perder suas propriedades radioativas, todavia não são uma ameaça maior que os dejetos produzidos por outros tipos de usinas, uma vez que o material radioativo só precisa ser armazenado em lugares protegidos sem jamais causar qualquer tipo de problema. Enquanto as usinas nucleares apresentam como subproduto apenas o material radioativo que só precisa ser armazenado de forma devida, usinas como termoelétricas produzem como subprodutos dióxido de carbono e outros gases que são acusados de acelerar o aquecimento global.
Existe ainda um fator de risco, muito mais evidente, que é a possibilidade de explosão de uma usina nuclear. Como vimos, os processos de fissão resultam em um aquecimento considerável do urânio. Esse aquecimento, se não for controlado, pode causar a fusão do reator e originar um acidente nuclear de grandes proporções. Esse tipo de acidente nuclear é problemático pois a radiação do urânio iria ser levada pelos ventos da atmosfera e se espalhar por uma grande área, afetando diversos seres. E este é o grande risco de se ter uma usina nuclear, a possível ruptura da usina e liberação de material radioativo. 
Apesar de sempre existir a possibilidade do vazamento da radiação isso é extremamente improvável. De fato, durante toda a história das usinas nucleares o único acidente que ocorreu devido a falha humana foi o de Chernobyl em 1986. Graças aos rígidos protocolos de segurança que essas usinas são obrigadas a seguir as chances de uma usina explodir são realmente muito pequenas.

Entenda as estrelas

Como se forma uma estrela?

Para uma estrela ser formada são necessárias três coisas: muito gás, gravidade e tempo. Todos sabem que matéria atrai matéria e este é o princípio responsável pela formação das estrelas. As partículas de gás, aos poucos, se aglomeram gerando um campo gravitacional maior, influenciando mais partículas de gás. Com muito tempo, a gravidade irá reunir uma grande quantidade de hidrogênio, comprimindo-o mais e mais até um ponto em que a temperatura será tão alta que um processo chamado fusão nuclear começará. Isso ocorre, pois quando um gás é comprimido, sua temperatura aumenta. Então essa temperatura, somada à pressão que as camadas externas de gás exercem no centro da nuvem aumentam a temperatura ao ponto em que os núcleos atômicos passam a se fundir quando se chocam devido a sua grande energia cinética. Quando a fusão nuclear começa, temos o nascimento de uma nova estrela chamada de proto-estrela.



Até que o equilíbrio hidrostático seja estabelecido, a estrela enfrentará uma vida turbulenta, repleta de ejeções de material estelar e explosões violentas que podem alterar sua estrutura interna drasticamente. O equilíbrio hidrostático será alcançado quando as forças da gravidade e da fusão nuclear se equilibram. A fusão nuclear cria uma força contrária a da gravidade, que por sua vez cria uma pressão na estrela. Quando essas forças se equilibram a estrela entrará em um período menos turbulento. Veja que mesmo nesse período mais calmo, erupções e explosões ainda ocorrem, porém com menos freqüência Dependendo da massa da estrela, ela poderá ficar nessa fase de sua vida durante bilhões de anos.

Por que as estrelas brilham?

Durante muitos anos uma questão permaneceu na cabeça dos cientistas: por que as estrelas brilham? Foram necessários muitos anos até que em 1905, com um trabalho pioneiro de Albert Einstein, a resposta foi alcançada. Neste ano, também chamado de “ano do milagre de Einstein”, ele publicou um trabalho contendo a famosa equação E=mc². Essa equação, familiar para a maioria das pessoas, é a chave para entender porque as estrelas brilham. Mas antes precisamos entender como essa equação funciona. 

Muitas pessoas acham que equações são apenas constructos matemáticos sem significado. Pois estas pessoas estão enganadas. Cada equação possui seu significado, sua interpretação e são esses significados que muitas vezes guiam os cientistas para a criação de melhores teorias. A equação de Einstein não é uma exceção e descreve o que é chamado de equivalência massa-energia. Nas palavras de Einstein “...massa e energia são diferentes manifestações do mesmo fenômeno”. Essa equação, além de relacionar matéria a energia possui outro significado importante: poucas quantidades de matéria possuem muita energia. A seguir um vídeo de Einstein explicando o significado de sua equação.
“É sabido a partir da teoria da relatividade que massa e energia são diferentes manifestações do mesmo fenômeno – um conceito pouco familiar para a maioria das pessoas. Além disso, a equação E é igual a m c ao quadrado, na qual energia é igual a massa multiplicado pelo quadrado da velocidade da luz, nos mostra que pequenas quantidades de matéria podem ser convertidas em enormes quantidades de energia e vice-versa. Massa e energia são de fato, equivalentes, de acordo com a fórmula mencionada a cima. Isso foi demonstrado experimentalmente por Cockcroft e Walton em 1932.”

Bem, agora vamos entender o que ocorre no centro das estrelas. Como já foi dito, estrelas realizam um processo chamado fusão nuclear que literalmente une os átomos no centro das estrelas, fazendo, por exemplo, com que dois átomos de hidrogênio se tornem um átomo de hélio. E é aí que E=mc² entra. A soma das massas dos átomos de hidrogênio é um pouco menor que a massa do novo átomo de hélio então um pouco da massa “sumiu” durante o processo. Obviamente essa massa não sumiu pois isso seria uma violação da lei da conversação de massa e energia. Então para onde essa massa foi? Lembre-se, E=mc², massa pode tornar-se energia e energia pode tornar-se massa. A massa que “desapareceu” na verdade tornou-se energia que será liberada na forma de radiação eletromagnética (luz) e outras coisas como neutrinos. 

É por isso que as estrelas brilham, pois elas convertem toneladas e toneladas de hidrogênio por segundo em hélio e parte da massa desse material será transformada em energia durante o processo, garantindo que a estrela brilhe intensamente até que seu hidrogênio se acabe.

O que acontece quando uma estrela morre?

Quanto menor a estrela, mais tempo ela sobreviverá pois para manter as forças interna (fusão nuclear) e externa (gravidade) equilibradas é necessário menos hidrogênio. E por quanto mais tempo a estrela manter suas reservas de hidrogênio mais tempo ela sobreviverá. Mas o fim é inevitável, um dia as reservas de hidrogênio se esgotarão e a estrela estará em seus últimos momentos. Nesta fase, a massa inicial determinará o que irá acontecer com a estrela. Talvez ela expanda, torne-se uma gigante vermelha e ejete suas camadas de gás como ocorrerá com o Sol, ou talvez, se ela possuir massa suficiente, exploda em uma supernova, quem sabe até em uma hipernova, e deixe para trás um buraco negro ou uma estrela de nêutrons. Tudo dependerá de sua massa inicial.

Estrelas com massa semelhante ao do Sol ao chegar no final de suas vidas podem se tornar gigantes vermelhas por pouco tempo. Isso ocorre pois quando o hidrogênio do núcleo acaba, a estrela começa a utilizar outras fontes como o hidrogênio fora do núcleo e até mesmo chega a fundir átomos de carbono, o que lhe garante um último suspiro. Tudo isso será em vão e elas ejetarão suas camadas externas de gás, originando uma nebulosa planetária. A estrela, agora sem suas camadas externas de gás, é chamada de anã branca e poderá permanecer nesse estado durante bilhões de anos pois, por ser muito pequena pouco consome seu combustível restante. Isso é o que ocorrerá com o Sol em aproximadamente 5 bilhões de anos.

Em uma estrela com mais de 10 massa solares o processo é um pouco diferente e mais violento. Estrelas desse tamanho, no fim de sua vida podem originar as chamadas supernovas. Mas afinal o que é uma supernova? Quando uma estrela com muita massa chega ao final de sua vida, extingue-se em um evento muito luminoso, que pode brilhar mais que uma galáxia inteira, chamado supernova. Quando o hidrogênio no núcleo da estrela acaba, ela é comprimida pela ação da gravidade, o que aumenta sua temperatura. Esse aumento na temperatura fará com que a estrela comece a fusão de outros elementos. Uma hora, esses elementos acabarão e novamente, a pressão irá aumentar a temperatura da estrela e desencadear outro ciclo nos processos nucleares da estrela. Em cada novo ciclo a estrela cresce, aumentando sua gravidade, força que no final prevalecerá e fará com que o núcleo da estrela colapse sobre si mesmo, originando uma supernova de tipo II. Esse tipo de fenômeno muitas vezes leva a criação de um núcleo de ferro que poderá originar uma estrela de nêutrons. É graças a esse tipo de explosão que os elementos mais pesados da tabela periódica são formados. Então apesar das supernovas serem explosões letais, são também responsáveis pela formação dos elementos que permitem a vida na Terra. Cada átomo de ferro, carbono ou oxigênio em nossos corpos vieram de uma supernova.

A criação de um buraco negro ocorre devido a um evento muito mais violento que uma supernova. Para um buraco negro ser criado, é necessário que a estrela tenha uma massa inicial de 100 até 300 vezes maior que a massa do Sol, o que originará uma explosão de supernova do tipo Ic ou uma hipernova. Estrelas hipergigantes quando chegam no final de sua vida têm seu núcleo colapsado de forma tão violenta que um buraco negro é criado. O colapso acontece de forma tão rápida que o núcleo colapsa e torna-se um buraco negro antes mesmo da estrela desabar sobre si mesma. Esse novo buraco negro criado no centro da estrela irá “consumir” o resto da estrela, o que pode ocasionar em explosões de raios gama, um dos eventos mais energéticos do universo.

Como os cientistas classificam as estrelas?

Estrelas podem ser pequenas ou grandes, quentes ou frias, novas ou velhas. Para organizar todas as estrelas de forma adequada, astrônomos desenvolveram um sistema chamado Diagrama de Hertzsprung-Russell. Esse diagrama é uma tabela que mostra a magnitude absoluta (ou luminosidade) das estrelas em função de seus tipos espectrais (classificação espectral de Harvard) e temperaturas. O Diagrama de Hertzsprung-Russel foi desenvolvido pelos astrônomos Ejnar Hertzprung e Henry Norris Russel em 1910.

O primeiro diagrama criado por eles mostrava o tipo espectral das estrelas em um eixo horizontal em função da magnitude absoluta, que era apresentada em um eixo vertical. Outra versão do diagrama mostra a temperatura da superfície da estrela em um eixo e a luminosidade em outro. Usando esse diagrama, astrônomos são capazes de determinar o ciclo de vida das estrelas, desde quentes e instáveis proto-estrelas, que passam pela seqüência principal até as moribundas em gigantes vermelhas. O diagrama também mostra e relaciona a cor da estrela com a temperatura de sua superfície em vários dos seus estágios de vida.

Se você observar o diagrama de Hertzprung-Russell, verá que existe uma linha diagonal que vai da esquerda para a direita. Quase todas as estrelas passam por essa linha em algum momento de suas vidas e, por isso, ela é chamada de seqüência principal. Astrônomos também podem usar o diagrama de Hertzprung-Russell para estimar o quão longe estão as estrelas. Ao mapear e comparar estrelas e agrupamentos estrelares eles podem descobrir suas distâncias em relação a Terra.

Large Hadron Collider - LHC - O que é?

Sua forma é circular, com um perímetro de 27 quilômetros. Ao contrário dos demais aceleradores de partículas, a colisão será entre prótons português brasileiro ou protões português europeu, e não entre pósitrons e elétrons (como no LEP), entre prótons e antiprótons (como no Tevatron) ou entre elétrons português brasileiro ou electrões português europeu e prótons (como em HERA). O LHC irá acelerar os feixes de prótons até atingirem sete TeV (assim, a energia total de colisão entre dois prótons será de 14 TeV) e depois fá-los-á colidir em quatro pontos distintos. A luminosidade nominal instantânea é 1034 cm-2s-1, a que corresponde uma luminosidade integrada igual a 100 fb-1 por ano. Com esta energia e luminosidade espera-se observar o bóson de Higgs e assim confirmar o modelo padrão das partículas elementares.

Sua construção e entrada em funcionamento foi alvo de um filme da BBC sobre um possível fim do mundo, e tem gerado uma enorme polêmica na Europa.

  Diâmetro do LHC 

  O colisor de hárdrons 

Constituição do LHC

Possui um túnel a 100 metros ao menos debaixo da terra na fronteira da França com a Suíça, onde os prótons serão acelerados no anel de colisão que tem cerca de 8,6 km de diâmetro.

Amplificadores serão usados para fornecer ondas de rádio que são projetadas dentro de estruturas repercussivas conhecidas como cavidades de freqüência de rádio. Exatamente 1232 ímãs bipolares supercondutores de 35 toneladas e quinze metros de comprimento agirão sobre as transferências de energias dentro do LHC.

Os detectores de partículas ATLAS, ALICE, CMS e LHCb, que monitoram os resultados das colisões, possuem mais ou menos o tamanho de prédios de cinco andares (entre 10 e 25 metros de altura) e 12 500 toneladas. O LHC custou cerca de 3 mil milhões de euros ao contribuinte europeu.

Objetivos:

Um dos principais objetivos do LHC é tentar explicar a origem da massa das partículas elementares e encontrar outras dimensões do espaço, entre outras coisas. Uma dessas experiências envolve a partícula bóson de Higgs. Caso a teoria dos campos de Higgs estiver correta, ela será descoberta pelo LHC. Procura-se também a existência da super simetria. Experiências que investigam a massa e a fraqueza da gravidade serão um equipamento toroidal do LHC e CMS ("Solenóide de múon compacto"). Elas irão envolver aproximadamente 2 mil físicos de 35 países e dois laboratórios autónomos ? o JINR (Joint Institute for Nuclear Research) e o CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire).

As experiências por meio do LHC devem permitir descobrir várias partículas dotadas de todas as cargas de energia e exercendo as mesmas interações que as partículas do Modelo Padrão conhecidas.

Críticas e riscos:

Os cientistas Walter Wagner e Luiz Sancho acreditam que este equipamento pode provocar uma catástrofe de dimensões cósmicas, como um buraco negro que acabaria por destruir a Terra[carece de fontes?]. Para tanto, corre um processo num tribunal do Havaí[carece de fontes?] tentando impedir a experiência, até que haja uma total comprovação de que não haja riscos. Outros acusam o CERN de não ter realizado os estudos de impacto ambiental necessários. No entanto, apesar das alegações de uma suposta criação de um buraco negro, o que de fato poderia ocorrer seria a formação de strange quarks, possibilitando uma reação em cadeia e gerando a matéria estranha; esta possui a característica de converter a matéria ordinária em matéria estranha, logo gerando uma reação em cadeia na qual todo o planeta seria transformado em uma espécie de matéria estranha.

Apesar das alegações "catastróficas", físicos teóricos de notável reputação como Stephen Hawking e Lisa Randall afirmam que tais teorias são meramente absurdas, e que as experiências foram meticulosamente estudadas e revisadas e estão sob controle.

Entretanto, se um buraco negro fosse produzido dentro do LHC, ele teria um tamanho milhões de vezes menor que um grão de areia, e não viveria mais de 10-27 segundos, pois por ser um buraco negro, emitiria radiação e deixaria de existir.

Mas, supondo que mesmo assim ele continuasse estável, continuaria sendo inofensivo. Esse buraco negro teria sido criado à velocidade da luz (300 mil km por segundo) e continuaria a passear neste ritmo se não desaparecesse. Em menos de 1 segundo ele atravessaria as paredes do LHC e se afastaria em direção ao espaço. A única maneira de ele permanecer na Terra é se sua velocidade for diminuída a 15 km por segundo. E, supondo que isto ocorresse, ele iria para o centro da Terra, devido à gravidade, mas continuaria não sendo ameaçador. Para representar perigo, seria preciso que ele adquirisse massa, mas com o tamanho de um próton, ele passaria pela Terra sem colidir com outra partícula (não parece, mas o mundo ultramicroscópico é quase todo formado por vazio), e ele só encontraria um próton para somar à sua massa a cada 30 minutos a 200 horas. Para chegar a ter 1 miligrama, seria preciso mais tempo do que a idade atual do universo.

O cientista do MIT, Ph.D em Astrofísica pela Universidade de Bolonha, o brasileiro Gabriel Moraes Ernst, considera a teoria concernente com as principais vertentes de análise, ao considerar a aplicabilidade da transferência de pósitrons com base na massa do buraco negro gerado.
Fonte: Wikipedia

Astrônomos descobrem um novo tipo de planeta

 

Um grupo de astrônomos descobriram a existência de um novo tipo de planeta, com grande composição de água e com uma leve atmosfera de vapor.

A descoberta claro foi realizada no Centro de Astrofísica de Harvard-Smithsonian em conjunto com a NASA. O novo planeta encontra-se fora de nosso sistema solar e fora denominado de GJ1214b; o planeta em questão já estava sendo monitorado desde 2009 pelo telescópio espacial Hubble, onde estudos mostraram uma enorme fração de sua massa composta por água.

Sabemos que em nosso sistema solar existem três tipos de planetas, que são: terrestres e rochosos (Terra, Marte, Mercúrio e Vênus), gigantes gasosos (Júpiter e Saturno) e gigantes gelados (Urano e Netuno).

Mas também sabemos que existem outros planetas em torno de estrelas distantes, como no caso deste novo planeta e como no caso de outros que nós já mencionamos aqui mesmo. O GJ1214b, está situado, ou seja, localizado a cerca de 40 anos luz da Terra, e está sendo considerado por astrônomos como uma Super Terra, pois tem 2,7 vezes o comprimento de nosso planeta e sete vezes mais o seu peso.

A Super Terra orbita a cada 38 horas ao redor de seu “Sol”, que não passa de uma estrela anã vermelha que possui segundo os estudos realizados pelo Hubble, 232 graus Celsius. Já em 2010, o cientista Jacob Bean indicou que a Super Terra deveria ser composta em sua maior parte por água, no entanto, suas análises podem ter sido feitas em razão da presença de uma nuvem que envolveu totalmente o planeta em questão.

Com a ajuda do telescópio Hubble, os astrônomos conseguiram calcular a densidade do planeta a partir de sua massa e tamanho, comprovando assim a existência de muito mais água que o planeta Terra possui e também muito menos rochas. Agora resta saber se esse novo planeta um dia poderá se habitável!