O calor por decaimento nuclear é o calor libertado como resultado do decaimento radioativo. Este calor é produzido como um efeito da radiação sobre os materiais: a energia da radiação alfa, beta ou gama é convertida no movimento térmico dos átomos. O calor por decaimento ocorre naturalmente a partir da decomposição de radioisótopos de longa duração que estão presentes desde a formação da Terra. Na engenharia de reatores nucleares, o calor residual continua a ser gerado após o desligamento do reator (ver SCRAM e reações nucleares em cadeia) e a suspensão da geração de energia. O decaimento de radioisótopos de vida curta, como o iodo-131, criados na fissão, continua em alta potência por um tempo após o desligamento. A principal fonte de produção de calor num reator recém-desligado deve-se ao decaimento beta de novos elementos radioativos produzidos recentemente a partir de fragmentos de fissão no processo de fissão. Quantitativamente, no momento do desligamento do reator, o calor residual destas fontes radioativas ainda representa 6,5% da potência do núcleo anterior, caso o reator tenha tido um histórico de potência longo e estável. Cerca de 1 hora após o desligamento, o calor residual será de aproximadamente 1,5% da potência do núcleo anterior. Após um dia, o calor residual cai para 0,4% e, após uma semana, será de apenas 0,2%. Como radioisótopos de todos os tempos de meia-vida estão presentes nos resíduos nucleares, calor residual suficiente continua a ser produzido nas barras de combustível irradiado para exigir que elas permaneçam por, no mínimo, um ano, e mais tipicamente de 10 a 20 anos, numa piscina de água para combustível irradiado antes de serem processadas posteriormente. No entanto, o calor produzido durante este período ainda representa apenas uma pequena fração (menos de 10%) do calor produzido na primeira semana após o desligamento. Se nenhum sistema de arrefecimento estiver a funcionar para remover o calor residual de um reator danificado e recém-desligado, este calor residual pode fazer com que o núcleo do reator atinja temperaturas inseguras em poucas horas ou dias, dependendo do tipo de núcleo. Estas temperaturas extremas podem levar a danos menores no combustível (por exemplo, algumas falhas de partículas de combustível (0,1 a 0,5%) num projeto moderado por grafite e arrefecido a gás) ou mesmo a danos estruturais graves no núcleo (fusão) num reator de água leve ou reator rápido de metal líquido. Espécies químicas libertadas do material danificado do núcleo podem levar a reações explosivas adicionais (vapor ou hidrogénio) que podem danificar ainda mais o reator.
Ocorrência natural O calor de decaimento natural é uma contribuição significativa para o balanço térmico interno da Terra. Os isótopos radioativos de urânio, tório e potássio são os principais contribuintes para este calor de decaimento, e este decaimento radioativo é a principal fonte de calor da qual deriva a energia geotérmica. O calor residual tem importância significativa em fenómenos astrofísicos. Por exemplo, acredita-se que as curvas de luz das supernovas do tipo Ia sejam alimentadas pelo aquecimento fornecido por produtos radioativos da decomposição de níquel e cobalto em ferro (curva de luz do tipo Ia).[carece de fontes]?
Reatores nucleares em desligamento
Numa reação típica de fissão nuclear, 187 MeV de energia são libertados instantaneamente na forma de energia cinética dos produtos da fissão, energia cinética dos neutrões da fissão, raios gama instantâneos ou raios gama da captura de neutrões. Outros 23 MeV de energia são libertados algum tempo depois da fissão devido ao decaimento beta dos produtos da fissão. Cerca de 10 MeV da energia liberada pelo decaimento beta dos produtos da fissão está na forma de neutrinos e, como os neutrinos interagem muito fracamente, estes 10 MeV de energia não serão depositados no núcleo do reator. Isto resulta em 13 MeV (6,5% da energia total da fissão) sendo depositados no núcleo do reator devido ao decaimento beta retardado dos produtos da fissão, algum tempo depois da ocorrência de qualquer reação de fissão. Em estado estacionário, este calor proveniente do decaimento beta retardado dos produtos da fissão contribui com 6,5% da produção normal de calor do reator.[carece de fontes]? Quando um reator nuclear é desligado e a fissão nuclear não ocorre em grande escala, a principal fonte de produção de calor será o decaimento beta retardado destes produtos de fissão (que se originaram como fragmentos de fissão). Por este motivo, no momento do desligamento do reator, o calor residual será de cerca de 6,5% da potência do núcleo anterior, caso o reator tenha tido um histórico de potência longo e estável. Cerca de 1 hora após o desligamento, o calor residual será de cerca de 1,5% da potência do núcleo anterior. Após um dia, o calor residual cai para 0,4% e, após uma semana, será de apenas 0,2%. A taxa de produção de calor residual continuará a diminuir lentamente ao longo do tempo; a curva de decaimento depende das proporções dos vários produtos de fissão no núcleo e de suas respetivas meias-vidas. Uma aproximação para a curva de calor residual válida de 10 segundos a 100 dias após o desligamento é
P ( τ )
P
0
= 0.066
(
(
τ −
τ
s
)
− 0.2
−
τ
− 0.2
)
{\displaystyle {\frac {P(\tau )}{P_{0}}}=0.066\left(\left(\tau -\tau _{s}\right)^{-0.2}-\tau ^{-0.2}\right)}
onde
τ
{\displaystyle \tau }
é o tempo decorrido desde o início da operação do reator,
P ( τ )
{\displaystyle P(\tau )}
é o poder no momento
τ
{\displaystyle \tau }
,
P
0
{\displaystyle P_{0}}
é a potência do reator antes do desligamento, e
τ
s
{\displaystyle \tau _{s}}
é o tempo de desligamento do reator medido a partir do momento da inicialização (em segundos), de modo que
( τ −
τ
s
)
{\displaystyle (\tau -\tau _{s})}
é o tempo decorrido desde o desligamento. Para uma abordagem com uma base física mais direta, alguns modelos utilizam o conceito fundamental de decaimento radioativo. O combustível nuclear usado contém um grande número de isótopos diferentes que contribuem para o calor de decaimento, todos sujeitos à lei do decaimento radioativo, portanto, alguns modelos consideram o calor de decaimento como uma soma de funções exponenciais com diferentes constantes de decaimento e contribuição inicial para a taxa de calor. Um modelo mais preciso consideraria os efeitos dos precursores, uma vez que muitos isótopos seguem várias etapas na sua cadeia de decaimento radioativo, e o decaimento dos produtos filhos terá um efeito maior por um período mais longo após o desligamento.
P
P
0
=
∑
i = 1
11
P
i
e
− λ t
.
{\displaystyle {\frac {P}{P_{0}}}=\sum _{i=1}^{11}P_{i}e^{-\lambda t}.}
A remoção do calor residual é uma preocupação significativa para a segurança do reator, especialmente logo após um desligamento normal ou após um acidente de perda de refrigerante. A falha na remoção do calor residual pode fazer com que a temperatura do núcleo do reator suba a níveis perigosos e causou acidentes nucleares, incluindo os acidentes nucleares de Three Mile Island e Fukushima I. A remoção do calor geralmente é realizada por meio de vários sistemas redundantes e diversificados, dos quais o calor é removido por meio de trocadores de calor. A água passa pelo lado secundário do trocador de calor através do sistema de água de serviço essencial, que dissipa o calor no "sumidouro de calor final", geralmente um mar, rio ou grande lago. Em locais sem um corpo de água adequado, o calor é dissipado no ar pela recirculação da água através de uma torre de arrefecimento. A falha das bombas de circulação do sistema de água de serviço essencial foi um dos fatores que colocaram em risco a segurança durante a inundação da Central Nuclear de Blayais em 1999.[carece de fontes]?
Combustível irradiado Após um ano, o combustível nuclear irradiado típico gera cerca de 10 kW de calor residual por tonelada, diminuindo para cerca de 1 kW/t após dez anos. Portanto, o arrefecimento ativo ou passivo eficaz para o combustível nuclear irradiado é necessário por vários anos.
Ver também Armazenamento em barris secos Energia de decaimento Gerador termoelétrico de radioisótopos Piscina de combustível irradiado
Referências
Ligações externas Manual de fundamentos do DOE - Calor residual, Física nuclear e teoria de reatores - volume 2 de 2, módulo 4, página 61 (em inglês) Estimativas de calor residual para MNR, página 2. (em inglês)