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A arma secreta das barras de controle: por que elas podem interromper as reações nucleares tão rapidamente?
As barras de controle desempenham um papel vital em reatores nucleares. Sua principal função é regular a taxa de fissão do combustível nuclear (como urânio ou plutônio). Essas barras de controle são feitas de elementos químicos que são absorvedores eficazes de nêutrons, como boro, cádmio, prata, háfnio ou índio, que podem absorver um grande número de nêutrons sem se decompor. Diferentes elementos têm diferentes seções transversais de captura de nêutrons, o que torna o projeto das barras de controle intimamente relacionado ao tipo de reator nuclear.
Princípio de operação
As barras de controle são inseridas no núcleo de um reator nuclear. Ao ajustar a profundidade de inserção das barras de controle, a taxa da reação em cadeia nuclear é controlada, o que por sua vez afeta a saída de energia térmica do reator, a taxa de geração de vapor e a saída de energia da usina. O número de barras de controle inseridas e sua profundidade afetam muito a reatividade do reator. Ou seja, quando a reatividade excede 1, a taxa da reação em cadeia nuclear aumentará exponencialmente; inversamente, quando a reatividade for menor que 1, ela diminuirá exponencialmente.
Com todas as hastes de controle totalmente inseridas, a reatividade pode ser mantida em níveis próximos de zero, permitindo que um reator em funcionamento seja rapidamente desacelerado e mantido desligado.
Manter uma saída de energia estável requer manter o fator de multiplicação de nêutrons médio de longo prazo próximo da unidade. Quando um novo reator é montado, as hastes de controle são totalmente inseridas e então gradualmente retiradas para iniciar a reação nuclear em cadeia e aumentar a potência até o nível necessário.
Seleção de materiais
A escolha do material para as barras de controle é crítica, pois deve ter uma alta seção transversal de captura de nêutrons. Prata, índio e cádmio são alguns dos materiais comumente usados, porém outros elementos como boro, alumínio, háfnio, cério, titânio, silício, etc. também são considerados materiais potenciais. Além disso, as barras de controle geralmente são feitas de ligas ou compostos, como aço com alto teor de boro, liga de prata-índio-cádmio, etc.
As barras de controle, que devem ser capazes de resistir à expansão induzida por nêutrons e possuir boas propriedades mecânicas, geralmente têm a forma de estruturas tubulares preenchidas com partículas ou pó que absorvem nêutrons.
Por exemplo, em reatores de água pressurizada, ligas de prata-índio-cádmio (normalmente 80% de prata, 15% de índio e 5% de cádmio) são amplamente utilizadas. Esses materiais têm características diferentes na faixa de absorção de nêutrons, tornando esta liga um excelente meio de absorção de nêutrons. Ao mesmo tempo, esses materiais também precisam evitar a corrosão em altas temperaturas da água.
Considerações de segurança
Por razões de segurança, na maioria dos projetos de reatores, as barras de controle são conectadas à máquina de elevação por meio de dispositivos eletromagnéticos. Dessa forma, se ocorrer uma falha de energia, as hastes de controle podem cair automaticamente por gravidade e ser totalmente inseridas no reator para interromper rapidamente a reação. Esse processo de desligamento rápido de um reator é chamado de "scramming".
Outros meios de regulação da capacidade de resposta
Em alguns reatores, a reatividade também pode ser ajustada adicionando absorvedores de nêutrons solúveis, como ácido bórico, ao refrigerante. Este dispositivo de fixação química, juntamente com venenos de nêutrons combustíveis usados nas partículas de combustível, pode ser usado para ajustar a reatividade dos reatores nucleares a longo prazo. Além disso, os operadores que operam um BWR realizam o controle de reatividade ajustando a velocidade das bombas de circulação do reator.
Prevenção de Acidentes Críticos
O mau gerenciamento ou falha da barra de controle é frequentemente responsabilizado por acidentes nucleares, como a explosão do SL-1 e o desastre de Chernobyl. Para gerenciar essas crises, absorvedores uniformes de nêutrons são frequentemente usados. A implementação desses métodos é fundamental para a segurança da energia nuclear.
Conclusão
Ao considerar de forma abrangente o design da barra de controle, os materiais e a regulação da reatividade, podemos ajudar a criar um ambiente de reação nuclear controlado para garantir o uso seguro da energia nuclear. No entanto, que espaço e oportunidades você acha que há para melhorias na tecnologia nuclear futura?
