Reatores nucleares navais

Introdução

Máquinas atômicas oferecem capacidades que não podem ser alcançadas por motores de combustíveis fósseis. A fissão nuclear não requer oxigênio e não produz gases de exaustão. Reatores nucleares são confiáveis, compactos e fonte de calor contínuo que podem durar anos sem reabastecimento.  Estas capacidades encorajaram o desenvolvimento de certos sistemas nucleares sem muita preocupação com o custo. Preocupações econômicas são de baixa prioridade se o produto seja um submarino resistente ou uma aeronave capaz de operações independentes.

A sabedoria convencional diz que o custo de navios nucleares não seria competitivo em mercados menos especializados que os militares. No entanto, tecnologias nucleares avançadas com um foco cuidadoso no custo do design podem resultar em sistemas de propulsão nuclear superiores aos sistemas convencionais.

As turbinas, por exemplo, oferecem a simplicidade e baixo custo das turbinas a gás, combinado com a alta endurância, baixo custo de combustível e zero emissões de gases na atmosfera.

Exemplo

Se um navio necessita de 26000SHP para viajar a 17 nós, ele consumirá 6,4 toneladas de combustível por hora. Se o mesmo navio deseja aumentar sua velocidade para 25 nós para entrar no prazo, o consumo aumentaria para 32 toneladas por hora, e a potencia seria aumentada para 130000SHP. É óbvia a razão que navios rápidos não são geralmente considerados econômicos para transportar carga.

Mesmo se o óleo fosse barato, o espaço requerido para armazenar  todo este combustível em uma longa rota seria uma preocupação fundamental. Um navio como este para transportar mercadoria de Nova York para Cidade do cabo, na África do Sul necessitaria de 6900 toneladas armazenadas para viajar a 25 nós, contra 2019 toneladas a 17 nós.

Em navios nucleares, gastos de combustível são menores, tanto em termo de peso quanto de custo. No custo corrente de combustível nuclear um SHP-hora produzido por fissão de urânio levemente enriquecido custa menos de um sexto de um SHP-hora produzido por queima de óleo. E também não há mudança de peso no navio por causa do consumo de combustível.

Funcionamento

Um navio com energia nuclear é construído com a planta nuclear dentro de uma seção do navio codificada como compartimento do reator. Os componentes desta planta são o reator, trocadores de calor com geração de vapor, com tubulações, bombas e válvulas associadas. Cada planta do reator contém mais de 100 toneladas de proteção de chumbo, parte das quais são radioativas por causa do contato com o material, ou pela ativação de nêutrons por causa das impurezas do chumbo.

O calor gerado pela fissão do combustível nuclear é transferido para um sistema de água em alta pressão para que ela não evapore. Esta água é bombeada entre os geradores de vapor e de volta para o reator para reaquecer.

Nos geradores de vapor, o calor da água do sistema de alta pressão é transferido para um sistema secundário para gerar vapor. O sistema secundário é isolado do primeiro para que a água de ambos os sistemas não se misturem.

O vapor gerado flui para ativar os geradores de turbina, que fornecem o navio com eletricidade, e para as turbinas que ativam o propulsor. Após passar pelas turbinas, este vapor é condensado em água que é alimentada novamente para os geradores de vapor através de bombas. Assim, tanto o sistema de água em alta pressão quanto o sistema de vapor são sistemas fechados onde a água re-circula e é reaproveitada. Como não existe nenhuma etapa que requer a presença de ar, isto permite que o navio opere de forma independente da atmosfera terrestre por períodos prolongados de tempo.

Produtos de fissão de urânio

O combustível em um reator contém átomos fechados em um revestimento de metal. Urânio é um dos poucos materiais capaz de produzir calor de forma auto-sustentável em uma reação em cadeia. Quando um neutron faz o átomo de urânio a cisalhar, os núcleos do urânio são divididos em partes menores produzindo átomos de números atômicos menores. Quando formados, estes átomos se movem em velocidades muito altas, até serem parados pelo revestimento. O calor produzido então surge desse freio, transformando a energia cinética dos átomos em energia térmica.

A radioatividade do combustível nuclear surge por causa desses "produtos de fissão". O sistema é projetado a conter estes átomos.

O cisalhamento do urânio também produz nêutrons enquanto a usina nuclear está em operação. A maioria deles é absorvida pelo combustivel e continuam a reação em cadeia. Alguns nêutrons, entretanto, são absorvidos pelas estruturas de metal das paredes do reator. 

O resfriador do reator carrega alguns desses produtos radioativos através das tubulações, onde uma porção da radioatividade é removida por um sistema de purificação.

Estes neutrons, quando absorvidos por um atomo não radioativo como o ferro, produzem um átomo radioativo. Por exemplo, o ferro-54, com 54 partículas, se torna o ferro-55. Algum tempo depois, ele se transforma no não radioativo manganês-55 quando solta energia na forma de radiação. Isto é chamado de decaimento radioativo.

Aspectos de segurança

A figura acima mostra como vem evoluindo a tecnologia, e a manuseabilidade de um sistema dinâmico como reatores navais. O núcleo do reator é instalado em uma parede pesada e altamente pressurizada dentro de um escudo primário. Este escudo limita a exposição à radiação gamma produzida quando o reator está operando. As tubulações do reator são instaladas dentro de um "compartimento reator" que também é envolvido por um escudo secundário. O acesso a esse compartimento só é autorizado com o desligamento do reator. A maioria da exposição à radiação vem de inspeções, manutenção e reparos dentro deste compartimento.

Qiuando o navio colide, os núcleos do motor atômico são cuidadosamente projetadose construidos para prevenir o vazamento de material radioativo em todas as condições possíveis, e existem pelo menos 3 barreiras entre o meio ambiente e o material. Até hoje, não houveram medições vazamento radioativo de núcleos que estão hoje no fundo do oceano.

Reações nucleares produzem uma quantidade imensa de energia, que se não for controlada leva a resultados desastrosos. A maioria das apreensôes se baseia no uso de algo dinâmico como navios nucleares que pode ser ocupado por milhares de pessoas algumas vezes.

Mas os maiores empecilhos para o desenvolvimento dessa tecnologia é onde armazenar o lixo nuclear até que ele sofra um decaimento radioativo significativo, e também na ética de alguns países ao desenvolver essa tecnologia, que também pode ser usada para fins militares.

Simpósios no mundo inteiro discutem a questão.