Porque não estou preocupado com os reatores nucleares japoneses

Muitas pessoas ficaram assustadas com as notícias acerca dos reatores nucleares japoneses. Por esta razão, um blogueiro americano pediu a um professor do MIT que esclarecesse sua família sobre os riscos envolvidos no acidente com os reatores. Apesar de longo, o texto é claro e didático, e por isso traduzo-o livremente para o português, para que mais pessoas leiam e saibam de fato o que está acontecendo, ao invés de ficarem ao gosto do sensacionalismo dos jornais. A versão original (e constantemente atualizada) do artigo está presente aqui. A lista de publicações do autor pode ser vista aqui, caso você tenha interesse.

PORQUE NÃO ESTOU PREOCUPADO COM OS REATORES NUCLEARES JAPONESES

por Josef Oehmen, phD pelo MIT.

Eu estou escrevendo este texto (em doze de março) para dar a você alguma paz de espírito a respeito de alguns acontecimentos no Japão, a saber, a segurança dos reatores nucleares. A situação é séria, mas está sob controle. E este texto é longo! Mas você aprenderá mais sobre usinas nucleares depois de ler do que todos os jornalistas deste planeta juntos.

Aconteceu e NÃO acontecerá nenhuma significante liberação de radiação.

Por "significante" quero dizer um nível de radiação de mais daquilo que você receberia em – digamos – um vôo de longa distância, ou bebendo uma cerveja que vem de certas áreas com altos índices de radiação natural.

Eu tenho lido cada notícia acerca do incidente desde o terremoto. Não houve uma única (!) notícia que era precisa e livre de erros (e parte deste problema é também a fraqueza na comunicação da crise japonesa). Por "não livre de erros" eu não me refiro ao tendencioso jornalismo anti-nuclear – que é bastante normal nestes dias. Por "não livre de erros" eu quero dizer erros gritantes a respeito de física e das leis da natureza, além de grosseiras interpretações de fatos, provindas de uma falta fundamental e básica de compreensão da froma como reatores nucleares são construídos e operados. Eu li uma notícia de três páginas da CNN onde cada parágrafo continha um erro.

Nós teremos que cobrir alguns fundamentos antes de ir ao que está realmente acontecendo.
A construção das usinas nucleares em Fukushima

As usinas em Fukushima são chamadas "Boiling Water Reactors" [nota: reatores de água fervente], ou BWR. Estes são similares a uma panela de pressão. O combustível nuclear aquece água, a água ferve e cria vapor, o vapor então gira turbinas que criam a eletricidade, e o vapor é então resfriado e condensado novamente em água, e a água é enviada novamente para ser aquecida pelo combustível nuclear. A planela de pressão opera em torno de 250 °C.

O combustível nuclear é óxido de urânio. Óxido de urânio é uma cerâmica com um ponto de fusão muito alto de cerca de 3000 °C. O combustível é fabricado em pastilhas (pense em pequenos cilindros do tamanho de peças de Lego). Esses pedaços são então colocados juntos em um tubo longo feito de zircaloy [uma solução sólida de vários metais, entre eles o zircônio], com ponto de fusão de 2200 °C, e então selados. Isto tudo é chamado de 'bastão de combustível'. Estes bastões são então ajuntados para formar grandes pacotes, e um número desses pacotes são então colocados dentro do reator. Todos esses pacotes juntos são referidos como o "núcleo".

O tubo de Zircaloy é o primeiro mecanismo de contenção. Ele separa o combustível radioativo do resto do mundo.

O núcleo então é colocado em um "recipiente de pressão". Quer dizer, na panela de pressão na qual falamos antes. O recipiente de pressão é o segundo mecanismo de contenção. Este é um robusto pedaço de pote, construído para conter com segurança o

núcleo e temperaturas de várias centenas de graus. Isto cobre os cenários onde o resfriamento pode ser restaurado em algum momento.

Todo o 'esqueleto' do reator nuclear – o recipiente de pressão e todos os canos, bombas, reservas de refrigerantes (água) – é então trancado no terceiro mecanismo de contenção. Este é uma bolha hermeticamente fechada e muito espessa, feitas do mais forte metal e concreto. O terceiro mecanismo de contenção é idealizado, construído e testado com um simples propósito: Para conter, indefinidamente, um derretimento completo do núcleo. Para esse propósito, um grande e espesso 'dique' de concreto é lançado sob o recipiente de pressão (o segundo mecanismo de contenção), tudo dentro do terceiro mecanismo. Este é o tão-chamado "agarrador do núcleo". Se o núcleo derreter e o recipiente de pressão explodir (e eventualmente derreter), ele irá segurar o combustível derretido e tudo mais. É tipicamente construído de forma que o combustível nuclear irá se espalhar, para que possa se resfriar.

O terceiro mecanismo de contenção é então cercado pela construção do reator. Esta é uma casca externa que mantém as intempérias climáticas de entrarem, mas nada dentro (esta é a parte que foi danificada na explosão, mas mais sobre isso depois)

Fundamentos de reações nucleares

O combustível de urano gera calor através de fissão nuclear. Grandes átomos de urânio são divididos em átomos menores. Isto gera calor e neutrons (uma das partículas que formam átomos). Quando o neutron atinge outro átomo de urânio, este se divide, gerando mais neutros e dai por diante. Isso é chamado de reação nuclear em cadeia.

Agora, apenas deixar vários bastões de combustível perto um do outro rapidamente conduziria a um superaquecimento e, após cerca de 45 minutos, a um derretimento dos bastões de combustível. É digno de menção que, neste ponto, o combustível nuclear em um reator NUNCA causará uma explosão nuclear no tipo de uma bomba. Construir uma bomba nuclear é na verdade muito difícil (pergunte ao Irã). Em Chernobyl, a explosão foi causada por acúmulo excessivo de pressão, explosão de hidrogênio e ruptura de todas as contenções, propalando material de núcleo derretido no ambiente (uma "bomba suja"). Por que isso não aconteceu e não irá acontecer no Japão, mais abaixo.

Para controlar a reação nuclear em cadeia, o operador do reator usa o tão-chamado "bastão de controle". Estes bastões absorvem os neutrons e matam a reação em cadeia instantaneamente. O reator nuclear é construído de tal forma que, quando operado normalmente, você retira todos os bastões de controle. A água refrigeradora então retira o calor (e o converte em vapor e eletricidade) na mesma proporção que o núcleo o produz. E você tem muito espaço para pensar em torno desta operação padrão de cerca de 250 °C.

O desafio é que o núcleo continua produzindo calor após a inserção dos bastões que cessam a reação em cadeia. O urânio "parou" a reação em cadeia. Mas um número de elementos radioativos intermediarios são criados pelo urânio durante a fissão, mais notavelmente isótopos de Césio e Iodo, isto é, versões radioativas destes elementos que irão eventualmente se dividir em átomos menores e que não serão mais radioativos. Estes elementos continuamente decaem e produzem calor. Porque eles não são novamente gerados pelo urânio (pois ele parou de decair quando os bastões de controle foram inseridos), eles ficam menores e menores, e então o núcleo respira em questão de dias, até que estes elementos radioatios intermediários são completamente usados.

Este calor residual está causando as dores de cabeça agora.

Então, o primeiro "tipo" de material radioativo é o urânio nos bastões de combustível, e também os elementos radioativos intermediários no qual o urânio se divide, também dentro do bastão de combustível (Césio e Iodo).

Há um segundol tipo de mateirla radioativo, fora dos bastões de combustível. A grande diferença: Este segundo tipo de material tem uma vida muito curta, o que quer dizer que decai muito rápido e se divide em materiais não radioativos. Por rápido eu quero dizer segundos. Então se eles materiais radioativos são liberados no ambiente, sim, radioatividade foi liberada, mas não, não é perigoso de forma alguma. Por quê? No tempo em que você soletrar R-A-D-I-O-N-U-C-L-É-I-C-O, eles serão inofensivos, pois terão se dividido em elementos não radioativos. Estes elementos radiativos são N-16, o isotopo radioativo do nitrogênio (ar). Os outros são gases nobres como o argônio. Mas de onde eles vem? Quando o urânio se divide, ele gera um neutron. A maioria desses neutros irá atingir outros átomos de urânio, mantendo a reação em cadeia. Mas alguns deles irão deixar o bastão de combustível e atingir as moléculas de água, ou o ar que há na água. Entaõ, um elemento não radioativo pode "capturar" o neutron. Ele se torna radioativo. Como descrito acima, ele irá rapidamente (segundos) se livrar do neutron e retornar à sua forma anterior.

Este segundo "tipo" de radiação é muito importante quando nós falamos sobre a radiação sendo liberada no ambiente.
O que aconteceu em Fukushima

Eu tentarei fazer um sumário dos principais fatos. O terremoto que atingiu o Japão foi cinco vezes mais poderoso do que o pior dos terremotos para o qual a usina nuclear foi construída (a escala Richter funciona logaritmicamente; a diferença entre o 8,2 para o qual a planta foi construída e o 8,9 que aconteceu é de cinco vezes, não 0,7). Então, o primeiro 'hurrah' para a engenharia japonesa, tudo ficou de pé.

Quando o terremoto de 8,9 sacodiu a terra, todos os reatores nucleares entraram em desligamento automático. Segundos após o começo do terremoto, os bastões de controle foram inseridos no núcleo e a reação nuclear em cadeia do urânio parou. Agora, o sistema de resfriamento tem que se livrar do calor residual. A carga do calor residual é de cerca de 3% da carga de calor em condições normais de operação.

O terremoto destruíu a fonte externa de energia do reator nuclear. Este é um dos acidentes mais sérios para uma usina nuclear, e, de acordo, um plano contra eventuais blecautes recebem muita atenção na criação de sistemas de segurança. A energia é necessária para manter a refrigeração funcionando. Desde que a usina foi desligada, ela não pode produzir qualquer eletricidade por ela mesma.

As coisas correram bem por uma hora. Um dos múltiplos grupos de geradores de Diesel emergenciais entrou em cena e proveu a eletricidade que era necessária. Então o Tsunami veio, muito maior do que as pessoas esperavam quando construíram a usina. O tsunami levou consigo todos os geradores de Diesel.

Ao criar uma usina nuclear, engenheiros seguem uma filosofia chamada de "Defesa de profundidade". Isto quer dizer que você primeiro constrói tudo para suportar a pior catástrofe que você imaginar, e então cria a usina de tal modo que ela consiga ainda suportar uma falha de sistema (aquela que você pensou que nunca iria acontecer) atrás da outra. Um tsunami destruindo toda a energia de reserva em um rápido golpe é um desses cenários. A última linha de defesa é por tudo no terceiro mecanismo de contenção, que irá manter tudo dentro do reator, não importando a sujeira, bastões de controle dentro ou fora, núcleo derretido ou não.

Quando os geradores de diesel sumiram, os operadores do reator apelaram para bateriais emergenciais. As baterias foram criadas como uma reserva da reserva, para prover energia para o resfriamento do núcleo por oito horas. E eles proveram.

Nestas oito horas, outra fonte de energia tinha que ser encontrada e conectada à usina. A rede de energia estava desligada por causa do terremoto. Os geradores de diesel destruídos pelo tsunami. Então geradores móveis de diesel entraram em cena.

Aqui é quando as coisas começaram a ficar seriamente erradas. Os geradores externos não puderam ser conectados à usina (o plug não coube). Então, assim que as baterias foram consumidas por completo, o calor residual não pode mais ser resfriado.

Neste ponto os operadores começam a seguir os procedimentos de emergência existentes para o caso de "perda de refrigeração". É novamente um passo dentro da "Defesa de profundidade". A energia dos sistemas de refrigeração nunca deveriam ter falhado completamente, mas eles falharam, e por isso o operador 'fugiu' para a próxima linha de defesa. Tudo isso, ainda que possa parecer chocante para nós, é parte do treinamento de cada dia que você atravessaria se fosse um operador, logo ao lado de como lidar com um derretimento de núcleo.

É aqui que as pessoas começaram a falar sobre o derretimento do núcleo. Porque, no fim do dia, se o resfriamento não for restabelecido, o nucleo irá eventualmente derreter (após horas ou dias), e a última linha de defesa, o agarrador do núcleo e o terceiro mecanismo de contenção, irão eventualmente entrar em cena.

Mas o objetivo neste estágio era administrar o núcleo enquanto ele aquecia, e garantir que a primeira contenção (os tubos de Zircaloy que contém o combustível nuclear), assim como a segunda contenção (a nossa panela de pressão) continuem intactas e operacionais tanto quanto possível, para dar tempo aos engenheiros de consertar o sistema de refrigeração.

Porque a refrigeração do núcleo é tão importante, o reator possui um grande número de sistemas refrigerantes, cada um em multiplas versões (o sistema de limpeza de água, a remoção de calor que provém do decaimento de elementos radioativos, o sistema de refrigeração em espera e o sistema emergencial de resfriamento do núcleo). Qual deles falhou e quando falhou ainda não é claro.

Então imagine nossa panela de pressão no fogão, o fogo baixo, mas ligado. Os operadores usam qualquer sistema de refrigeração que eles tem para se livrar de tanto calor quanto possível, mas a pressão começa a se acumular. A prioridade agora é manter a integridade da primeir contenção (manter a temperatura dos bastões de combustível abaixo de 2200 °C), assim como a segunda contenção, a panela de pressão. Para manter a integridade da panela de pressão (a segunda contenção), a pressão tem que ser liberada de tempo em tempo. E é porque isso é tão importante em uma emergência que o reator possui onde válvulas para liberar pressão. Os operadores agora começam a ventilar vapor de tempo em tempo para controlar a pressão. A temperatura neste estágio era de cerca de 550 °C.

É aqui que notícias sobre "vazamento de radiação" começam a aparecer. Eu acredito que expliquei acima porque liberar o vapor é teoricamente o mesmo que liberar radiação no ambiente, mas porque não era e não é perigoso. O nitrogênio radioativo, assim como os gases nobres, não são uma ameaça à saúde humana.

Em algum momento durante essa ventilação, a explosão aconteceu. A explosão aconteceu fora da terceira contenção (nossa "última linha de defesa"), na casca exterior do reator. Lembre-se que esta casca não é usada para manter contida a radioatividade. Não está inteiramente claro porque isso aconteceu, mas este é o cenário mais provável: Os operadores decidiram ventilar o vapor do recipiente de pressão não diretamente no ambiente, mas no espaço entre a terceira contenção e a casca externa (para dar à radioatividade no vapor mais tempo para decair). O problema é que, nas altas temperaturas que o núcleo atingiu neste estágio, as moleculas de água podem se "desassociar" em oxigênio e hidrogênio – uma mistura explosiva. E ela explodiu, fora da terceira contenção, danificando a construção ao redor da usina. Foi uma explosão semelhante, mas dentro do recipiente de pressão (porque foi mal criada e pessimamente administrada pelos operadores) que ocasionou a explosão de Chernobyl. Este nunca foi um risco em Fukushima. O problema da formação hidrogênio-oxigênio é um dos maiores quando você constrói uma usina (a não ser que você seja soviético, é claro), então o reator é construído e operado de forma que nunca aconteça dentro da contenção. Aconteceu fora, o que não era planejado mas era um cenário possível e aceitável, pois não oferece risco à contenção.

Então a pressão está sob controle, e o vapor foi ventilado. Agora, se você continuar fervendo o seu pote. O problema é que o nível de água seguirá diminuindo e diminuindo. O núcleo é coberto por vários metros de água para permitir que passe algum tempo (horas, dias) até que fique exposto. Quando os bastões começam a ser expostos, as partes expostas vão alcançar a temperatura crítica de 2200 °C em cerca de 45 minutos. É quando a primeira contenção, os tubos de Zircaloy, falham.

E isso começou a acontecer. O resfriamento não pode ser restaurado antes porque houve dano limitado ao invólucro de algum dos combustíveis. O material nuclear em si continua intacto, mas a casca de Zircaloy começou a derreter. O que acontece agora é que alguns subprodutos do decaimento do urânio – Césio e Iodo radioativos – começaram a se misturar com o vapor. O principal problema, urânio, ainda estava sob controle, pois os bastões de óxido de urânio estariam bons até 3000 °C. Foi confirmado que uma pequena quantidade de Césio e Iodo foram detectados no vapor que foi liberado na atmosfera.

Isto é o sinal desencadeador de um grande plano B. As pequenas quantidades de Césio detectadas disseram aos operadores que que a primeira contenção de um dos bastões estava prestes a ceder. O plano A era restaurar a refrigeração do núcleo. Porque falhou não é claro. Uma explicação plausível é que o tsunami levou embora ou poluiu toda a água limpa necessária para o sistema regular de refrigeração.

A água usada no sistema de refrigeração é muito limpa, desmineralizada. A razão para usar água limpa é a já mencionada ativação dos neutros que vem do Urânio: Água pura não se ativa facilmente, e então continua praticamente livre de radiação. Água suja ou salgada absorvem os neutros rapidamente, se tornando mais radioativas. isto não tem qualquer efeito no núcleo – ele não liga com o que é resfriado. Mas faz a vida mais difícil para os operadores e mecânicos quando eles tem que lidar com a água ativada, quer dizer, irradiada.

Mas o Plano A falhou – sistemas de refrigeração desligados ou fontes adicionais de água limpa indisponíveis – e o Plano B veio a tona. Isto é o que parece ter acontecido: Para prevenir o derretimento do núcleo, os opedaores começaram a usar águas do oceano para resfriar o núcleo. Eu não estou certo se eles inundaram a panela de pressão (a segunda contenção) com ela, ou se inundaram a terceira contenção, imergindo a panela de pressão. Mas isso não é relevante para nós.

O ponto é que o cobustível nuclear está agora resfriado. Já que a reação em cadeia foi interrompida há muito tempo, agora pouquíssimo calor residual é produzido. A grande quantidade de água usada para refrigerar o núcleo é suficiente para receber esse calor. Porque é muita água, o núcleo não produz calor suficiente para liberar qualquer pressão significante. Além disso, ácido bórico foi adicionado à água. O ácido bórico é um "bastão líquido de controle". Caso esteja acontecendo algum decaimento, o Bório vai capturar os neutrons e acelerar o resfriamento do núcleo.

A usina chegou perto de um derretimento de núcleo. Este é o pior cenário que foi evitado: Se a água do oceano não pudesse ser usada, os operadores continuariam a ventilar o vapor de água para impedir o acúmulo de pressão. A terceira contenção seria completamente selada para permitir que aconteça o derretimento do núcleo sem liberação de material radioativo. Depois do derretimento, haveria um periodo de espera para que os elementos radioativos intermediários decaíssem dentro do reator, e todas as particulas radioativas assentassem dentro da contenção. O sistema de refrigeração seria eventualmente restaurado, e o núcleo derretido resfriado a uma temperatura aceitável. A contenção teria que ser limpa por perto. E então um trabalho sujo de remover o núcleo derretido iria começar, juntando o (agora sólido) combustível pedaço por pedaço para transportá-lo para usinas de processamento. A depender do dano, todo o bloco da usina deveria ser ou reparado ou desmanchado.

Agora, onde isso nos deixa? Minha avaliação:

* A usina está segura e continuará segura.
* O Japão está lidando com um acidente nível 4 na escala INES: acidente nuclear com consequências locais. Isso é ruim para a companhia que é dona da usina, mas não é para todos os outros.
* Alguma radiação foi liberada quando a panela de pressão ventilou. Todos os isótopos radioativos do vapor irradiado sumiram (decairam). Uma pequena quantidade de Césio foi liberada, assim como Iodo. Se você estava sentado bem emcima das chaminés da usina quando ela estava ventilando, você provavlemente deve desistir de fumar para retornar à sua antiga expectativa de vida. Os isótopos de Césio e Iodo foram carregados para o mar e nunca mais serão vistos.
* Houve dano limitação à primeira contenção. Significa que alguma quantidade de Césio e Iodo foram também liberados na água, mas não Urânio ou outras coisas (o óxido de Urânio não dissolve na água). Existem estações de tratamento para a água usada na refrigeração dentro da terceira contenção. O Césio e Iodo radioativos serão removidos e eventualmente guardados como lixo radioativo em um armazém.
* A água do oceano usada na refrigeração ficará irradiada em certo grau. Porque os bastões de controle estão completamente inseridos, a reação em cadeia do Urânio não está acontecendo. Isso significa que a principal reação nuclear não está acontecendo, não está contribuindo para a ativação. Os materiais radioativos itnermediários (Césio e Iodo) praticamente desapareceram nesse estágio, pois a reação do Urânio parou há muito tempo. Isto reduz a irradioação. No fim, haverá um pequeno nível de irradiação da água do oceano, que será removida nas estações de tratamento.
* A água do oceano será então substituída com o tempo por água normal para resfriamento.
* O núcleo do reator será desmontado e transformado para uma estação de processamento, assim como em qualquer mudança regular de combustível.
* Os bastões de combustível e toda a usina serão checados em busca de danos potenciais. Isso leva cerca de 4 ou 5 anos.
* A segurança dos sistemas das usinas japonesas serão melhoradas para suportar um terremoto de 9.0 e tsunamis (ou pior).
* Eu acredito que o mais significamente problema será a prolongada falta de energia. 11 dos 55 reatores nucleares em diferentes usinas foram desligados e terão de ser inspecionados, diretamente reduzindo a capacidade de geração de energia nuclear do Japão em 20%, num pais onde a energia nuclear responde por 30% da capacidade de geração. Eu não observei possíveis consequências para outras usinas nucleares não diretamente afetadas. Isso será provavelmente coberto com usinas de gás que são utilizadas apenas em momentos de picos de consumo. Eu não estou familiarizado com a cadeia janpoesa de suprimentos de petróleo, gás e carvão, e que dano os portos, refinarias, estoques e sistemas de transportes receberam, assim como danos à rede de distribuição. Tudo isso irá aumentar sua conta de energia, assim como levar à blecautes durante picos de demanda e esforços de reconstrução no Japão.
* Isto é apenas parte de uma figura muito maior. Uma resposta de emergência tem que lidar com abrigos, água potável, comida e cuidados médicos, infraestrutura de transporte e comunicação, além de suprimentos de eletricidade. Em um mundo de magras cadeias de suprimentos, nós estamos olhando para um dos maiores desafios em todas essas áreas.

Se quiser se manter informado, por favor esqueça as habituais mídias e consulte os seguintes sites

* http://www.world-nuclear-news.org/RS_Battle_to_stabilise_earthquake_reactors_1203111.html
* http://www.world-nuclear-news.org/RS_Venting_at_Fukushima_Daiichi_3_1303111.html
* http://bravenewclimate.com/2011/03/12/japan-nuclear-earthquake/
* http://ansnuclearcafe.org/2011/03/11/media-updates-on-nuclear-power-stations-in-japan/