Galeria de imagens de terremotos e tsunamis no Japão A usina nuclear Fukushima II Dai Ni após um terremoto e tsunami de magnitude 8,9. Um terremoto de magnitude 8,9 na escala Richter atingiu a costa nordeste do Japão em 11 de março, 2011. Veja mais fotos das consequências do terremoto e tsunami. Foto por DigitalGlobe via Getty Images Pessoas diferentes têm opiniões diferentes sobre a indústria de energia nuclear. Alguns vêem a energia nuclear como uma importante tecnologia verde que não emite dióxido de carbono e, ao mesmo tempo, produz enormes quantidades de eletricidade confiável. Eles apontam para um admirável histórico de segurança que se estende por mais de duas décadas.
Outros vêem a energia nuclear como uma tecnologia inerentemente perigosa que representa uma ameaça para qualquer comunidade localizada perto de uma usina nuclear. Eles apontam acidentes como o incidente de Three Mile Island e a explosão de Chernobyl como prova de como as coisas podem dar errado.
Em ambos os casos, reatores nucleares comerciais são um fato da vida em muitas partes do mundo desenvolvido. Porque eles fazem uso de uma fonte de combustível radioativo, esses reatores são projetados e construídos de acordo com os mais altos padrões da profissão de engenheiro, com a capacidade percebida de lidar com quase tudo que a natureza ou a humanidade podem servir. Terremotos? Sem problemas. Furacões? Sem problemas. Ataques diretos de jatos jumbo? Sem problemas. Ataques terroristas? Sem problemas. A força está embutida, e camadas de redundância destinam-se a lidar com qualquer anormalidade operacional.
Pouco depois de um terremoto atingir o Japão em 11 de março, 2011, Contudo, essas percepções de segurança começaram a mudar rapidamente. Explosões abalaram vários reatores diferentes no Japão, embora os relatórios iniciais indicassem que não houve problemas com o terremoto em si. Incêndios eclodiram na planta de Onagawa, e houve explosões na fábrica de Fukushima Daiichi.
Então, o que deu errado? Como pode tão bem projetado, sistemas altamente redundantes falham tão catastroficamente? Vamos dar uma olhada.
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Este diagrama mostra todas as partes de um reator nuclear. © 2011 HowStuffWorks.com Se você leu Como funcionam os reatores nucleares, você está familiarizado com a ideia básica por trás de uma usina nuclear. Em alto nível, essas plantas são bastante simples. Combustível nuclear, que nas modernas usinas nucleares comerciais vem na forma de urânio enriquecido, naturalmente produz calor à medida que os átomos de urânio se dividem (consulte a seção Fissão Nuclear de Como funcionam as bombas nucleares para obter detalhes). O calor é usado para ferver água e produzir vapor. O vapor aciona uma turbina a vapor, que gira um gerador para criar eletricidade. Essas usinas são grandes e geralmente capazes de produzir algo da ordem de um gigawatt de eletricidade com potência total.
Para que a saída de uma usina nuclear seja ajustável, o urânio combustível é formado em pellets aproximadamente do tamanho de um Tootsie Roll. Essas pelotas são empilhadas de ponta a ponta em longos tubos de metal chamados barras de combustível. As hastes são organizadas em feixes, e os feixes são dispostos no núcleo do reator. As hastes de controle se encaixam entre as hastes de combustível e são capazes de absorver nêutrons. Se as hastes de controle estiverem totalmente inseridas no núcleo, o reator está desligado. O urânio produzirá a menor quantidade de calor possível (mas ainda produzirá calor). Se as hastes de controle forem puxadas para fora do núcleo o mais longe possível, o núcleo produz seu calor máximo. Pense no calor produzido por uma lâmpada incandescente de 100 watts. Essas lâmpadas ficam muito quentes - quentes o suficiente para assar um cupcake no forno Easy Bake. Agora imagine um 1, 000, 000, Lâmpada de 000 watts. Esse é o tipo de calor que sai do núcleo de um reator com potência total.
Os reatores que falharam no Japão são reatores de água fervente Mark 1 projetados pela General Electric na década de 1960. Este é um dos projetos de reatores anteriores, em que o urânio combustível ferve a água que aciona diretamente a turbina a vapor. Este projeto foi posteriormente substituído por reatores de água pressurizada devido a questões de segurança em torno do projeto Mark 1. Como nós vimos, essas preocupações de segurança se transformaram em falhas de segurança no Japão. Vamos dar uma olhada na falha fatal que levou ao desastre.
Um reator de água fervente tem um calcanhar de Aquiles - uma falha fatal - que é invisível em condições normais de operação e na maioria dos cenários de falha. A falha tem a ver com o sistema de refrigeração.
Um reator de água fervente ferve água:isso é bastante óbvio e simples. É uma tecnologia que remonta a mais de um século, desde os primeiros motores a vapor. Enquanto a água ferve, ele cria uma grande quantidade de pressão - a pressão que será usada para girar a turbina a vapor. A água fervente também mantém o núcleo do reator a uma temperatura segura. Quando sai da turbina a vapor, o vapor é resfriado e condensado para ser reutilizado continuamente em um circuito fechado. A água é recirculada pelo sistema com bombas elétricas.
A vulnerabilidade do projeto entra em jogo se as bombas elétricas perderem energia. Sem um novo suprimento de água na caldeira, a água continua fervendo, e o nível da água começa a cair. Se água suficiente ferver, as barras de combustível ficam expostas e sobreaquecem. Em algum ponto, mesmo com as hastes de controle totalmente inseridas, há calor suficiente para derreter o combustível nuclear. É daí que vem o termo colapso. Toneladas de urânio derretido fluem para o fundo do vaso de pressão. Nesse ponto, é catastrófico. Na pior das hipóteses, o combustível fundido penetra no vaso de pressão e é liberado no meio ambiente.
Por causa dessa vulnerabilidade conhecida, há uma grande redundância em torno das bombas e de seu suprimento de eletricidade. Existem vários conjuntos de bombas redundantes, e existem fontes de alimentação redundantes. A energia pode vir da rede elétrica. Se isso falhar, existem várias camadas de geradores a diesel de reserva. Se eles falharem, existe um sistema de bateria reserva. Com toda essa redundância, parece que a vulnerabilidade está completamente coberta. Não há como a falha fatal ser exposta.
Infelizmente, logo após o terremoto, o pior cenário se desenrolou.
O pior cenário na crise nuclear do Japão seria um colapso e uma liberação maciça de radiação nuclear no meio ambiente. © iStockphoto.com/caracterdesign As usinas nucleares no Japão resistiram ao próprio terremoto sem dificuldade. As quatro plantas mais próximas do epicentro do terremoto desligaram automaticamente, o que significa que as hastes de controle foram totalmente inseridas em seus núcleos de reatores e as plantas pararam de produzir energia. Este é o procedimento operacional normal para essas plantas, mas isso significava que a primeira fonte de eletricidade para as bombas de resfriamento havia desaparecido. Isso não é um problema porque a usina poderia obter energia da rede elétrica para operar as bombas.
Contudo, a rede elétrica ficou instável e também desligou. A segunda fonte de eletricidade para as bombas de resfriamento se foi. Isso colocou os geradores a diesel de reserva em ação. Os geradores a diesel são uma forma robusta e comprovada de gerar eletricidade, então não havia preocupações.
Mas então aconteceu o tsunami. E infelizmente, o tsunami foi muito maior do que qualquer um havia planejado. Se os geradores a diesel de reserva estivessem mais altos, projetado para funcionar enquanto está submerso em água ou protegido de águas profundas de alguma forma, a crise poderia ter sido evitada. Infelizmente, os níveis inesperados de água do tsunami causaram a falha dos geradores.
Isso deixava a última camada de redundância - baterias - para operar as bombas. As baterias funcionaram conforme o esperado, mas foram dimensionados para durar apenas algumas horas. A suposição, pelo visto, foi que a eletricidade seria disponibilizada de outra fonte com bastante rapidez.
Embora os operadores tenham feito caminhões em novos geradores, eles não puderam ser ligados a tempo, e as bombas de refrigerante ficaram sem eletricidade. A falha fatal no projeto da água fervente - considerada impossível de ser descoberta por meio de tantas camadas de redundância - havia, no entanto, sido exposta. Com isso exposto, a próxima etapa do processo levou à catástrofe.
Com as baterias descarregadas, as bombas de refrigerante falharam. Sem refrigerante fresco fluindo para o núcleo do reator, a água que o mantinha fresco começou a ferver. Enquanto a água fervia, os topos das hastes de combustível foram expostos, e os tubos de metal contendo as pelotas de urânio combustível superaqueceram e racharam. As rachaduras permitiram que a água entrasse nos tubos e chegasse às pelotas de combustível, onde começou a gerar gás hidrogênio. O processo é chamado termólise - se você conseguir água quente o suficiente, ele se decompõe em seus átomos constituintes de hidrogênio e oxigênio.
O hidrogênio é um gás altamente explosivo - lembre-se da explosão de Hindenburg, em que o Hindenburg estava cheio de gás hidrogênio. Nas usinas nucleares do Japão, pressão do hidrogênio acumulada, e o gás teve que ser ventilado. Infelizmente, tanto hidrogênio foi liberado tão rapidamente que explodiu dentro do prédio do reator. Essa mesma cadeia de eventos se desdobrou em vários reatores diferentes.
As explosões não romperam os vasos de pressão contendo os núcleos nucleares, nem liberaram quantidades significativas de radiação. Estas foram simples explosões de hidrogênio, não explosões nucleares. As explosões danificaram os edifícios de concreto e aço ao redor dos vasos de pressão.
As explosões também indicaram que as coisas ficaram fora de controle. Se a água continuasse a ferver, um colapso seria quase garantido.
Portanto, os operadores decidiram inundar os reatores com água do mar. Este é um último esforço para controlar a situação, já que a água do mar destrói completamente um reator, mas é melhor do que um colapso. Além disso, a água do mar foi misturada com boro para agir como uma versão líquida das hastes de controle. O boro absorve nêutrons e é um dos principais constituintes das hastes de controle.
A Usina Nuclear de Tricastin é uma das 59 usinas francesas que fornecem 75% da eletricidade do país. David McGlynn / Photographer's Choice RF / Getty Images Os incidentes nucleares no Japão são descritos como eventos INES de Nível 6 (Escala Internacional de Eventos Nucleares e Radiológicos). Three Mile Island foi um evento de nível 5. Chernobyl foi um evento de nível 7, e esse é o topo da escala de eventos [fonte:Reuters]. Obviamente, é uma situação séria.
O Japão perdeu uma parte significativa de sua capacidade de geração elétrica. Aproximadamente um terço da eletricidade do Japão vem de usinas nucleares, e cerca de metade dessa capacidade foi perdida (aproximadamente 20 por cento da capacidade total de geração) [fonte:Izzo]. Essa capacidade precisará ser substituída de alguma forma.
Aos 40 anos, esses reatores estão chegando ao fim de sua vida útil projetada de qualquer maneira. Uma alternativa é simplesmente reconstruir as plantas. Os dois problemas com essa abordagem são que será um processo muito longo - possivelmente levando uma década ou mais - e o público em geral no Japão pode não ter apetite por novos reatores nucleares. Ainda é muito cedo para saber.
Existem vários reatores Mark 1 nos Estados Unidos. É certo que serão desativados ou alterados para aproveitar as lições aprendidas no Japão. Outros reatores também podem ser alterados conforme necessário.
A indústria nuclear esperava um renascimento da energia nuclear nos Estados Unidos agora que mais de três décadas se passaram desde o incidente de Three Mile Island encerrou a construção de uma nova usina nuclear nos Estados Unidos. Os eventos no Japão podem impedir esse renascimento. Ou podem estimular pesquisas em outros, possivelmente mais seguro, tecnologias nucleares.
