Em 1939, os alemães Otto Hahn e Fritz Strassmann descobriram que elementos pesados como o urânio pode se partir em dois fragmentos de número atômicos intermediários quando bombardeados por nêutrons. Este fenômeno passou a ser conhecido como "fissão nuclear".
Exemplo da fissão de um núcleo de U235 resultando nos elementos telúrio e zircônio e mais nêutrons
O exemplo acima representa um dos muitos modos pelos quais a fissão do urânio pode ocorrer. Este processo, além da fragmentação do núcleo de 235U em outros dois elementos, gera cerca de 200 MeV de energia e, em média mais dois ou três nêutrons.
A energia liberada consiste na energia cinética dos fragmentos de fissão (165 ± 5,0 MeV), energia cinética dos nêutrons (5 ± 0,5 MeV) e energia das radiações gama e beta e dos neutrinos (35 ± 3,5 MeV).
Os nêutrons gerados na fissão irão provocar novas fissões que, por sua vez, elevarão o nível de energia e a população de nêutrons no meio. Este processo é conhecido como "reação em cadeia".
A energia liberada neste processo provoca a elevação do nível de potência do reator e aquecimento da massa de urânio que, no caso do reator IEA-R1, encontra-se confinado no interior de placas de alumínio. Este calor, por sua vez, precisa ser retirado para evitar o aumento excessivo da temperatura no interior das placas combustíveis que pode comprometer a sua estrutura e provocar a liberação dos produtos de fissão do 235U para o meio aonde se encontra.
O calor é retirado por meio de circulação forçada da água do circuito primário de resfriamento através dos elementos combustíveis que, após passar pelo trocador de calor, retorna à piscina.
No trocador de calor, a água do circuito primário é resfriada por troca térmica com o circuito secundário. A água deste circuito não entra em contato com a água do primário e libera o calor recebido em torres de resfriamento convencionais fora do prédio do reator.
Como visto, o princípio físico em que se baseia o funcionamento de um reator é simples. Na prática, porém, é necessário observar uma série de condições para que a reação em cadeia se inicie, se mantenha e, seja controlável.
Os pontos mais importantes para que isto ocorra são:
- Para o controle da potência e operação segura do reator IEA-R1, existem quatro elementos combustíveis de controle que, além de 12 placas combustíveis, cada um possui no seu interior 2 lâminas de cádmio altamente absorvedoras de nêutrons. Estas lâminas são retiradas destes elementos na medida em que desejamos aumentar a população de nêutrons e, consequentemente, a potência do reator. Ao contrário, se desejamos desligar o reator, devemos inserir estas lâminas nestes elementos.
- Para evitar a fuga de parte dos nêutrons irão provocar a fissão do urânio, blocos de grafite ou "refletores" compostos de átomos de carbono são colocados envolta dos elementos combustíveis e têm por finalidade, refletir os nêutrons de volta para a região do combustível;
- A fissão do 235U ocorre pela absorção de nêutrons com energias inferiores aquelas que se originam após a fissão. Portanto, é necessário que os nêutrons percam energia para serem absorvidos pelos núcleos de 235U. Está perda de energia é realizada através de choques sucessivos entre nêutrons e núcleos mais leves que o de urânio. Este material é conhecido como "moderador" que, no caso do reator IEA-R1, é a água;
- O urânio encontrado na natureza é constituído quase que totalmente pelo isótopo 238U ( 99,3% ). O isótopo 235U, que é o que se fissiona, representa apenas 0,7% do total. Desta forma, normalmente o funcionamento de um reator está condicionado ao aumento da quantidade do isótopo 235U na mistura. Este processo é chamado de "enriquecimento". No reator IEA-R1, este valor chega a 20%. Este urânio encontra-se confinado no interior de placas de alumínio que são montadas em um estojo contendo 18 placas e que forma o "elemento combustível padrão";
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