Embora a pegada da energia renovável continue a aumentar como o segmento de crescimento mais rápido no mix de energia global, ela ainda fica significativamente atrás das opções convencionais de energia de alto carbono devido aos obstáculos de eficiência e capacidade. Essas limitações estão impedindo que a energia renovável se torne uma opção predominante e regular de energia. Que outra forma de energia escalável e não emissora de CO2 poderia nos ajudar a fechar a lacuna até que a energia renovável em grande escala se torne uma realidade para nós? O perfil livre de carbono da energia nuclear, a eficiência e a escalabilidade comprovadas podem tornar a energia nuclear uma candidata à transição e possivelmente outra opção de energia viável e amplamente aceita para o futuro?
Além de seu plano de emissão zero, as quase 450 usinas nucleares operam hoje com capacidade total mais de 90% do tempo, em comparação com 50% para carvão e 25% para fazendas 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 rápido 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 ao meio ambiente. Os eventos de Chernobyl e Fukushima nos lembraram que a fissão atômica requer controle e vigilância sem falhas e que pequenos incidentes podem se transformar em grandes catástrofes.
Reações nucleares e radioatividade
Com mais de 18.000 reatores-ano de experiência, a tecnologia de reatores nucleares está bem estabelecida, diversificada e se beneficia de décadas de melhorias tecnológicas tornando os reatores mais seguros, confiáveis, duráveis e eficientes.
Para gerar eletricidade, as usinas nucleares usam uma mistura de isótopos de urânio, principalmente 238U e 235U como combustível. A maioria das usinas nucleares comerciais usa combustível de urânio de baixo enriquecimento (LEU), que é urânio com 235U enriquecido entre 3 e 5%, em oposição ao urânio altamente enriquecido (HEU), que tem as concentrações de 235U, de aproximadamente 90%, necessárias para aplicações de armamentos.
Uma vez no reator como combustível LEU, 235U e 238U seguem dois caminhos diferentes de transformação atômica, conforme ilustrado na Figura 3. Por meio da captura de um nêutron, e no caso do 238U que se transforma em 239Pu físsil, tanto o 239Pu quanto o 235U se dividem 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 atômica ou decaimento é uma bênção e uma maldição. Uma benção 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 hidráulicas de alta pressão para produzir eletricidade. É uma maldição porque o decaimento atômico associado à transmutação também produz radiação e partículas ionizantes, coletivamente chamadas de radioatividade. A radioatividade no reator para produzir a eletricidade é desejada, mas ela perdura no resíduo do combustível, chamado 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 combustível em isótopos físseis eventualmente cai abaixo do nível mínimo para manter uma reação em cadeia para fins de produção de eletricidade. O combustível irradiado é descarregado 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. Assim, o HLW é um dos principais focos das estratégias de gerenciamento de resíduos radioativos em todo o mundo.
Uma usina nuclear média com capacidade de 1.000 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 a potência radioativa dos resíduos nucleares por meio do reprocessamento e da reutilização do combustível irradiado resolveria um desafio complexo de gerenciamento de resíduos perigosos.
Opções de reciclagem de combustível nuclear usado
A tecnologia de reprocessamento de combustível nuclear irradiado existe desde o final da década de 1940. É bem compreendido e tecnicamente comprovado, mas apenas alguns países investiram no reprocessamento. A França e a Rússia são os dois principais países que reprocessam e reutilizam o combustível irradiado. Em média, cerca de 95% dos resíduos de combustível irradiado são urânio (a maioria é 238U), 1% é plutônio e o restante é uma grande variedade de produtos de fissão com menor número atômico 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 de redução de plutônio e urânio). PUREX usa tecnologia de separação hidrometalúrgica para separar o combustível usado 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 de vida média altamente radioativos (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 considerados resíduos e a redução significativa no volume de HLW.
Embora o PUREX reduza o volume de resíduos, ele não trata sua radioatividade. Além disso, a separação do 239Pu de outros actinídeos gera preocupações com a proliferação de armas nucleares.
As variantes do processo PUREX foram propostas e implementadas em todo o mundo para abordar os riscos de radioatividade HLW e proliferação de plutônio. Essas variantes do PUREX consistem na mistura de 239Pu com actinídeos menores que o impediriam de ser usado em armamentos enquanto cria uma mistura de combustível de actinídeo reprocessada aceitável. Outras variantes consistem em misturar urânio, plutônio e todos os transurânicos (elementos com número atômico maior que o urânio), deixando os produtos da fissão como único resíduo.
A reciclagem de HLW faz sentido quando se considera que mais de 90% do urânio é “não queimado” quando as barras de combustível usadas são descarregadas do reator. A reciclagem de urânio e plutônio não utilizados permite a geração de cerca de 25 a 30% a mais de eletricidade. No final de 2020, foram geradas 400 mil toneladas de combustível usado globalmente a partir de reatores de energia nuclear comercial, das quais cerca de 120 mil 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. O 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 e avançados projetos 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 duradouro, 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, mudanças nas regulamentações, custos excessivos e polarização política tornaram as entregas de usinas nucleares uma jornada tortuosa de uma década. Isso tem sido um sério impedimento para governos e investidores considerarem a energia nuclear, mesmo que suas vantagens e seu potencial sejam comprovados e inegáveis. Um recente artigo 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, avanços em novas tecnologias de reatores e novas alternativas de reciclagem e reutilização de combustível usado podem impulsionar a energia nuclear como uma ferramenta-chave no arsenal para combater o desafio das mudanças climáticas globais.
Agradecimento a Elaine McWhirter pela consulta científica.
Referências para animação nuclear
IAE, World Energy Outlook. https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2022 (acessado em 2023-01-09)
World Nuclear Association. https://world-nuclear.org/nuclear-essentials/how-can-nuclear-combat-climate-change.aspx (acessado em 2022-09-09)
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 2022-09-09)
World Nuclear Association. https://www.world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/fuel-recycling/processing-of-used-nuclear-fuel.aspx (acessado em 2022-09-09) IAE,
World Energy Outlook. https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2022 (acessado em 2023-01-09)
