Energia nuclear

Principais tipos de reator

Conforme o projeto, reatores usam combustíveis e fluidos de resfriamento diferentes, mas todos precisam retirar o calor produzido no núcleo. Em muitos deles, um moderador nuclear diminui a velocidade dos nêutrons, facilitando novas fissões. Um mesmo material, como a água, pode exercer as duas funções.

Nos reatores de água pressurizada (PWR), a água do circuito que atravessa o núcleo permanece líquida sob alta pressão e transfere calor a um segundo circuito, no qual é produzido o vapor que aciona a turbina. Nos reatores de água fervente (BWR), a água ferve no próprio núcleo e o vapor é encaminhado à turbina. Ambos usam água comum como refrigerante e moderador. Os reatores de água pesada pressurizada (PHWR), entre os quais se encontra o CANDU, usam água pesada como moderador e podem funcionar com urânio natural. Outros projetos empregam grafite como moderador ou gases como refrigerante.

Operação na rede elétrica

Embora a produção de algumas usinas possa ser ajustada à demanda, é comum mantê-las em funcionamento por longos períodos, fornecendo a eletricidade de que a rede precisa continuamente. Isso distribui os altos custos de construção por uma quantidade maior de eletricidade gerada.

Quando o projeto permite, a usina pode aumentar ou reduzir a produção conforme a demanda e ajudar a manter estável a frequência da rede. A possibilidade de operar dessa forma depende do projeto da usina e das necessidades da rede. A operação flexível pode ajudar a integrar as fontes eólica e solar, mas afeta equipamentos, combustível e custos operacionais.

Descomissionamento

Ao encerrar as atividades de uma instalação nuclear, começa o descomissionamento: seus equipamentos são retirados e suas estruturas são tratadas até que as medidas especiais de proteção radiológica deixem de ser necessárias, retornando a instalação e suas partes a um nível de segurança suficiente para serem confiadas a outros usos. A presença de materiais radioativos exige cuidado na desmontagem e eleva seus custos. Em geral, o dinheiro para essa etapa é reservado durante os anos de funcionamento da instalação em um fundo de descomissionamento.

Origens

O estudo da radioatividade e da estrutura dos átomos preparou o caminho para a descoberta da fissão nuclear em 1938. Otto Hahn e Fritz Straßmann identificaram bário entre os produtos do bombardeamento de urânio com nêutrons. Lise Meitner e seu sobrinho Otto Frisch interpretaram o resultado como uma divisão do núcleo e deram ao processo o nome de fissão. Os nêutrons liberados por um núcleo dividido poderiam, sob as condições certas, atingir núcleos vizinhos e manter uma reação em cadeia. Uma vez que isso foi confirmado experimentalmente em 1939, cientistas de muitos países solicitaram a seus governos apoio para a pesquisa de fissão nuclear, justamente na iminência da Segunda Guerra Mundial, a fim de desenvolver uma arma nuclear.

Nos Estados Unidos, esses esforços de pesquisa levaram à criação do primeiro reator nuclear construído pelo homem, o Chicago Pile-1, sob o estádio Stagg Field da Universidade de Chicago, que atingiu a criticidade em 2 de dezembro de 1942. O desenvolvimento do reator fez parte do Projeto Manhattan, o esforço dos Aliados para criar bombas atômicas durante a Segunda Guerra Mundial. Reatores maiores foram construídos para produzir o plutônio destinado às primeiras armas nucleares. Os Estados Unidos testaram a primeira arma nuclear em julho de 1945, a experiência Trinity, e os bombardeios atômicos de Hiroshima e Nagasaki ocorreram um mês depois.

Mesmo com o desenvolvimento inicial voltado às armas, nas décadas de 1940 e 1950 havia a expectativa de que os reatores também fornecessem energia barata e abundante. A eletricidade foi gerada pela primeira vez por um reator nuclear em 20 de dezembro de 1951, na estação experimental EBR-I perto de Arco, Idaho, que inicialmente produziu cerca de 100 kW. Em 1953, o presidente americano Dwight Eisenhower fez seu discurso "Átomos para a Paz" nas Nações Unidas, enfatizando a necessidade de desenvolver rapidamente usos "pacíficos" da energia nuclear. Isso foi seguido pela Lei de Energia Atômica de 1954, que permitiu a rápida desclassificação da tecnologia de reatores dos EUA e incentivou o desenvolvimento pelo setor privado.

Primeira geração de eletricidade

A primeira organização a desenvolver uma aplicação prática da energia nuclear foi a Marinha dos EUA, com o reator S1W como protótipo da propulsão de submarinos nucleares. A tecnologia viria a ser empregada também em porta-aviões. O primeiro submarino de propulsão nuclear, o submarino USS Nautilus, foi lançado ao mar em janeiro de 1954. O reator S1W era um reator de água pressurizada. A água pressurizada permitia um conjunto compacto e relativamente simples de operar, qualidades úteis a bordo de um submarino. O mesmo tipo de reator seria adotado depois para gerar eletricidade em terra.

Em 27 de junho de 1954, a Usina Nuclear de Obninsk, na URSS, tornou-se a primeira usina nuclear do mundo a gerar eletricidade para uma rede elétrica, produzindo cerca de 5 megawatts de energia elétrica. A primeira usina nuclear comercial do mundo, Calder Hall, em Windscale, Inglaterra, foi conectada à rede elétrica nacional em 27 de agosto de 1956. Assim como vários outros reatores de primeira geração, a usina tinha o duplo propósito de produzir eletricidade e plutônio-239, este último para o programa de armas nucleares nascente na Grã-Bretanha.

Expansão e primeiras oposições

De menos de 1 gigawatt (GW) em 1960, a capacidade instalada nuclear mundial chegou a 100 GW no fim da década de 1970. Durante as décadas de 1970 e 1980, o aumento dos custos econômicos (relacionados a tempos de construção prolongados, em grande parte devido a mudanças regulatórias e litígios de grupos de pressão) e a queda dos preços dos combustíveis fósseis tornaram as usinas nucleares então em construção menos atraentes. Nos anos 1980, nos EUA, e nos anos 1990, na Europa, a liberalização do mercado de eletricidade tornou o investimento em novas usinas nucleares (que têm altos custos iniciais de capital, mas baixos custos operacionais) menos atraente do que as usinas a gás natural (que tinham pouca oposição política, eram mais rápidas de construir e tinham preços de combustível baixos).

A crise do petróleo de 1973 levou países dependentes desse combustível, como a França e o Japão, a investir mais em usinas nucleares. A França construiria 25 usinas nucleares nos 15 anos seguintes, e, em 2019, 71% da eletricidade francesa era gerada por energia nuclear, a maior porcentagem do mundo.

Nos Estados Unidos, grupos locais já se opunham a projetos nucleares no começo da década de 1960. No final da década de 1960, alguns membros da comunidade científica começaram a expressar preocupações contundentes. Essas preocupações antinucleares estavam relacionadas a acidentes nucleares, proliferação nuclear, terrorismo nuclear e descarte de resíduos radioativos. No início da década de 1970, houve grandes protestos contra uma usina nuclear proposta em Wyhl, na Alemanha. O projeto foi cancelado em 1975. O cancelamento em Wyhl animou movimentos contrários a outras usinas na Europa e na América do Norte.

Na década de 1970, os protestos contra a energia nuclear cresceram e passaram a mobilizar pessoas além das comunidades próximas às usinas. Em alguns países, o debate sobre a energia nuclear "atingiu uma intensidade sem precedentes na história das controvérsias tecnológicas". O aumento da hostilidade pública à energia nuclear levou a um processo de licenciamento mais longo, mais regulamentações e maiores exigências para equipamentos de segurança, o que tornou a construção de novas usinas muito mais cara. Nos Estados Unidos, mais de 120 propostas de reatores foram canceladas e a construção de novos reatores foi praticamente paralisada. O acidente de Three Mile Island, em 1979, foi um dos fatores que reduziram a construção de novas usinas em muitos países.

Chernobil e retomada dos projetos

Na década de 1980, entrava em operação, em média, um reator nuclear a cada 17 dias. Ao final da década, a capacidade nuclear instalada global atingiu 300 GW. Desde o final da década de 1980, a expansão da capacidade instalada perdeu ritmo, com a capacidade nuclear instalada atingindo 365 GW em 2005.

O desastre de Chernobyl, em 1986, na URSS, envolvendo um reator RBMK, alterou o desenvolvimento da energia nuclear e levou a um maior foco no cumprimento das normas internacionais de segurança e regulamentação. O acidente de Chernobyl foi o mais grave ocorrido em uma usina nuclear em termos de efeitos radiológicos: dois trabalhadores morreram logo após a explosão e 28 pessoas morreram de síndrome aguda da radiação nos três meses seguintes. Entre as pessoas expostas na infância, os casos de câncer de tireoide também aumentaram.

A organização internacional para promover a conscientização sobre segurança e o desenvolvimento profissional de operadores em instalações nucleares, a Associação Mundial de Operadores Nucleares (WANO), foi criada como consequência direta do acidente de Chernobyl de 1986. O desastre de Chernobyl também esteve entre os fatores que reduziram a construção de usinas nucleares nos anos seguintes. Influenciada por esses eventos, a Itália votou contra a energia nuclear em um referendo em 1987, tornando-se a primeira grande economia a eliminar completamente a energia nuclear em 1990.

A preocupação com as emissões de dióxido de carbono reacendeu, no início dos anos 2000, o interesse pela construção de reatores. Durante esse período, reatores de terceira geração mais recentes, como o EPR, começaram a ser construídos.

Acidente de Fukushima

O acidente de Fukushima interrompeu muitos dos planos de expansão que haviam surgido nos anos anteriores. O acidente nuclear de Fukushima Daiichi em 2011 foi causado pelo terremoto e tsunami de Tohoku, um dos maiores terremotos já registrados. A central nuclear de Fukushima Daiichi sofreu três fusões do núcleo devido à falha do sistema de resfriamento de emergência por falta de fornecimento de eletricidade. Isso resultou no acidente nuclear civil mais grave desde o desastre de Chernobyl em 1986.

Depois de Fukushima, muitos governos voltaram a examinar as regras de segurança nuclear e seus planos para novas usinas. A Alemanha aprovou planos para fechar todos os seus reatores até 2022, e muitos outros países revisaram seus programas de energia nuclear. Após uma prorrogação temporária, os três últimos reatores alemães encerraram a geração de eletricidade em 15 de abril de 2023. Após o desastre, o Japão desativou todos os seus reatores nucleares, alguns deles permanentemente, e em 2015 iniciou um processo gradual para reiniciar os 40 reatores restantes, após verificações de segurança e com base em critérios revisados ​​de operação e aprovação pública.

Em 2022, o governo japonês, sob a liderança do primeiro-ministro Fumio Kishida, declarou que mais 10 usinas nucleares seriam reabertas desde o desastre de 2011. O governo Kishida também passou a incentivar a pesquisa e a construção de novas usinas nucleares mais seguras para proteger os consumidores japoneses da flutuação do preço do mercado de combustíveis fósseis e reduzir as emissões de gases de efeito estufa do Japão. O governo Kishida também manifestou a intenção de tornar o Japão um exportador de energia e tecnologia nuclear para países em desenvolvimento em todo o mundo.

Políticas e projetos após Fukushima

A necessidade de reduzir as emissões de carbono voltou a dar espaço à energia nuclear nos cenários de mitigação das mudanças climáticas publicados em 2015. Em 2015, a tendência global era de que a entrada em operação de novas usinas nucleares fosse equilibrada pelo número de usinas antigas sendo desativadas. Em 2016, a Administração de Informação de Energia dos EUA projetou, para seu "cenário base", que a geração mundial de energia nuclear aumentaria de 2.344 terawatts-hora (TWh) em 2012 para 4.500 TWh em 2040. A maior parte do aumento previsto era esperada na Ásia. Em 2018, havia mais de 150 reatores nucleares planejados, incluindo 50 em construção. Em janeiro de 2019, a China tinha 45 reatores em operação, 13 em construção e planejava construir mais 43, o que a tornaria a maior geradora de eletricidade nuclear do mundo. Em 2021, 17 reatores estavam em construção. Sua participação na geração de eletricidade a partir de energia nuclear foi de 5% em 2019.

Em outubro de 2021, o gabinete japonês aprovou o novo Plano de Geração de Eletricidade até 2030, elaborado pela Agência de Recursos Naturais e Energia (ANRE) e um comitê consultivo, após consulta pública. A meta nuclear para 2030 exige a reativação de mais dez reatores. Em julho de 2022, o primeiro-ministro Fumio Kishida anunciou que o país deveria considerar a construção de reatores avançados e a extensão das licenças de operação para além de 60 anos.

Com a alta dos preços do petróleo e do gás em 2022, a Alemanha voltou a usar parte de suas usinas a carvão para compensar a perda do gás russo em sua transição energética, conhecida como Energiewende. Outros países anunciaram investimentos para substituir ou ampliar sua capacidade de geração nuclear. O presidente francês, Emmanuel Macron, anunciou sua intenção de construir seis novos reatores nas próximas décadas, colocando a energia nuclear no centro da busca da França pela neutralidade de carbono até 2050. Nos Estados Unidos, o Departamento de Energia anunciou em 2020 apoio a projetos demonstrativos de reatores avançados das empresas TerraPower e X-energy. Em março de 2026, a agência reguladora concedeu uma licença de construção ao projeto Natrium, da TerraPower, em Wyoming. A operação ainda depende de outra licença.

Desenvolvimento no Brasil

O Instituto de Energia Atômica, que deu origem ao atual Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares, foi criado em 1956 por um convênio entre o Conselho Nacional de Pesquisas e a Universidade de São Paulo. No mesmo ano surgiu a Comissão Nacional de Energia Nuclear. Em 16 de setembro de 1957, o reator de pesquisa IEA-R1 atingiu a criticidade em São Paulo. Foi o primeiro reator nuclear do Brasil. Seu trabalho se voltava à pesquisa e à produção de radioisótopos, não ao fornecimento de eletricidade à rede.

A construção de Angra 1, primeira usina nuclear brasileira destinada à geração comercial de eletricidade, começou em 1972. Adquirida da empresa norte-americana Westinghouse, entrou em operação comercial em 1985. O acordo nuclear firmado entre o Brasil e a Alemanha em 1975 deu origem a Angra 2. Suas obras começaram em 1981, foram interrompidas em 1986 e retomadas no fim de 1994. A segunda usina entrou em operação comercial em 2001.

Geração de eletricidade no mundo

Uma usina pode ter muita potência instalada e ainda produzir pouca eletricidade se funcionar por poucas horas. A potência que ela pode fornecer em cada momento costuma ser expressa em gigawatts (GW), enquanto a energia produzida ao longo do tempo é medida em terawatts-hora (TWh). O fator de capacidade compara essa produção real com a que seria obtida se a instalação funcionasse à potência máxima durante todo o período. Para saber quanto ela forneceu durante um ano, é preciso considerar também por quanto tempo esteve em operação.

A Associação Nuclear Mundial contabilizou 2.602 terawatts-hora (TWh) de eletricidade nuclear em 2023. Para 2024, a AIEA registrou aproximadamente 2.617,3 TWh, cerca de 9% da geração global de eletricidade, e situou a energia nuclear como a segunda maior fonte de eletricidade de baixo carbono depois da hidrelétrica. Dados preliminares para 2025 apontavam um crescimento de aproximadamente 1,2% na geração nuclear mundial e um novo máximo de produção. A contribuição da energia nuclear para a produção global de energia foi de cerca de 4% em 2023. Isso é um pouco mais do que a energia eólica, que forneceu 3,5% da energia global em 2023. A participação da energia nuclear na produção global de eletricidade caiu de 16,5% em 1997, em grande parte porque a viabilidade econômica da energia nuclear se tornou mais complexa.

No fim de 2024, 417 reatores de fissão civis estavam em operação, com capacidade elétrica combinada de 377 gigawatts (GW). Em novembro de 2025, a contagem da AIEA era de 416 reatores em operação (376,3 GW) e 63 em construção (66,2 GW). O levantamento da Associação Nuclear Mundial de novembro de 2024 distinguia ainda 87 reatores planejados, com capacidade combinada de 84 GW. Os Estados Unidos eram o maior produtor de eletricidade nuclear, com aproximadamente 781,9 TWh em 2024, e seus reatores apresentavam fatores de capacidade elevados. A maioria dos reatores em construção são reatores de geração III na Ásia.

Os Estados Unidos são o maior produtor mundial de eletricidade nuclear, mas essa fonte respondia por 19% do consumo elétrico do país, enquanto na França chegava a 65% em 2023, a maior participação nacional. Na União Europeia, a energia nuclear fornece 22% da eletricidade em 2022. A energia nuclear é a maior fonte individual de eletricidade de baixo carbono nos Estados Unidos e representa cerca de metade da eletricidade de baixo carbono da União Europeia. A política de energia nuclear difere entre os países da União Europeia, e alguns, como Áustria, Estônia, Irlanda e Itália, não possuem usinas nucleares em operação.

Brasil

O Brasil opera as usinas Angra 1 e Angra 2, em Angra dos Reis. O país dispõe de reservas de urânio e de instalações do ciclo do combustível administradas pelas Indústrias Nucleares do Brasil, que atuam desde a mineração até a fabricação dos elementos combustíveis. O projeto Angra 3 aguardava decisão sobre a retomada das obras em 2026: os estudos técnico-econômicos solicitados pelo Conselho Nacional de Política Energética haviam sido atualizados, mas a deliberação final continuava pendente. Uma projeção do Ministério de Minas e Energia estima em 10,9 TWh por ano a geração da usina se ela for concluída.

Portugal

Portugal não possui usinas nucleares comerciais. O país teve um reator de pesquisa de 1 MW na Bobadela, perto de Sacavém. Projetos de construção de usinas foram discutidos na década de 1970, mas não se concretizaram. Em 15 de março de 1976, moradores de Ferrel protestaram contra a usina planejada para a região, e o governo abandonou o programa em 1982.

O Reator Português de Investigação começou a operar em 1961. Em setembro de 2007, seu núcleo passou de combustível com urânio altamente enriquecido para combustível com urânio pouco enriquecido. Após a desativação do reator, começou seu desmantelamento. O combustível nuclear foi enviado aos Estados Unidos em 2019.

Propulsão naval

Em maio de 2026, estimava-se que mais de 160 embarcações eram movidas por mais de 200 pequenos reatores nucleares. A maioria era formada por submarinos, com porta-aviões entre os outros navios militares. Entre as embarcações civis com propulsão nuclear estão os quebra-gelos.

Calor de processo

A pesquisa internacional continua em busca de usos adicionais para o calor de processo, como a produção de hidrogênio (em apoio a uma economia do hidrogênio), para dessalinização da água do mar e para uso em sistemas de aquecimento urbano.

Uso no espaço

Em sondas espaciais, geradores termoelétricos de radioisótopos convertem em eletricidade parte do calor liberado pelo decaimento radioativo. Eles fornecem dezenas ou centenas de watts. O modelo instalado nos veículos marcianos Curiosity e Perseverance, por exemplo, produz cerca de 110 W no início da missão. Eles são usados principalmente para alimentar missões e experimentos espaciais por longos períodos, quando a energia solar não está disponível em quantidade suficiente, como na sonda espacial Voyager 2. Alguns veículos espaciais foram lançados usando reatores nucleares: 34 reatores pertencem à série soviética RORSAT e um foi o americano SNAP-10A.

Projetos de propulsão espacial também estudam a fissão e a fusão para alcançar velocidades maiores usando menos massa de reação.

Preparação e uso do combustível

Depois da mineração de urânio, primeira etapa do ciclo do combustível nuclear, o minério extraído é concentrado para facilitar o transporte. O produto dessa etapa é conhecido como yellowcake (U₃O₈). Os reatores de fissão geralmente precisam de urânio-235, um isótopo físsil do urânio. A concentração de urânio-235 no urânio natural é baixa (cerca de 0,7%). Alguns reatores podem usar esse urânio natural como combustível, dependendo de sua economia de nêutrons. Esses reatores geralmente possuem moderadores de grafite ou água pesada. Para reatores de água leve, o tipo mais comum de reator, essa concentração é muito baixa e precisa ser aumentada por um processo chamado enriquecimento de urânio. Em reatores de água leve civis, o urânio é tipicamente enriquecido para 3,5–5% de urânio-235. O urânio é então geralmente convertido em óxido de urânio (UO2), um material cerâmico, que é então sinterizado por compressão em pastilhas de combustível, cuja pilha forma varetas de combustível com a composição e geometria adequadas para o reator em questão.

Após algum tempo no reator, o combustível apresenta redução de material físsil e aumento de produtos de fissão, até que seu uso se torne impraticável. Nesse ponto, o combustível irradiado é transferido para uma piscina de combustível irradiado, que fornece remoção do calor residual e blindagem contra radiação ionizante. Após vários meses ou anos, o combustível irradiado está suficientemente frio, tanto radioativamente quanto termicamente, para ser transferido para contêineres de armazenamento a seco ou reprocessado.

Recursos de urânio

Na crosta terrestre, o urânio tem abundância comparável à do estanho e maior que a da prata. O urânio está presente em concentrações mínimas na maioria das rochas, terra e água do oceano, mas geralmente é extraído economicamente apenas onde está presente em concentrações relativamente altas. Uma avaliação conjunta da Agência de Energia Nuclear da OCDE e da AIEA publicada em 2012 calculou que os recursos identificados em 2011 poderiam sustentar mais de 100 anos de consumo ao ritmo da época. Uma edição mais recente do mesmo levantamento identificou 7,93 milhões de toneladas de recursos recuperáveis em 1.º de janeiro de 2023 e concluiu que a oferta pode atender à expansão da geração nuclear até 2050 e além, desde que haja investimentos em exploração, mineração e processamento.

Os reatores de água leve, predominantes na geração elétrica, aproveitam sobretudo o urânio-235, que corresponde a uma pequena parcela do urânio natural. Grande parte do material permanece no combustível irradiado. A disponibilidade desse isótopo pode limitar uma expansão baseada apenas na tecnologia atual. O reprocessamento nuclear pode tornar esses resíduos reutilizáveis, e os reatores mais novos também alcançam um uso mais eficiente dos recursos disponíveis do que os mais antigos. Reatores rápidos podem aproveitar uma parcela maior do urânio natural e de materiais recuperados do combustível irradiado. Em alguns projetos, também convertem material fértil em novo combustível, processo chamado regeneração. Em um cenário teórico de aproveitamento quase completo do urânio e dos actinídeos em reatores rápidos, os recursos convencionais e os associados a fosfatos durariam até 160.000 anos ao ritmo de consumo usado em uma projeção de 2007. A estimativa depende de hipóteses exigentes de extração e reciclagem, que não descrevem as usinas em funcionamento. Para o urânio contido em minérios de fosfato, a projeção adotou um custo de extração de 60 a 100 dólares americanos por quilograma. Como o urânio extraído costuma representar uma parcela pequena dos custos da eletricidade nuclear, reprocessar combustível irradiado nem sempre compensa financeiramente. O reprocessamento nuclear também acarreta um risco maior de proliferação nuclear, pois separa material que pode ser usado para fabricar armas nucleares.

A água do mar também contém urânio, em uma concentração de cerca de 3 microgramas por litro, sendo que se considera haver 4,4 bilhões de toneladas de urânio presentes na água do mar em qualquer momento. A interação de estruturas de extração de urânio com as correntes marinhas já foi modelada, mas isso não estabeleceu a competitividade comercial da técnica. A erosão das rochas e os processos no fundo oceânico repõem lentamente parte desse urânio. A reposição natural não significa que sua extração industrial seja barata. Nos materiais e ciclos testados, o custo de extração foi estimado entre US$ 610 e US$ 830 por quilograma de urânio, ainda alto para o uso comercial da técnica. Alguns comentadores argumentaram que os recursos marinhos reforçariam a ideia de considerar a energia nuclear uma energia renovável, embora essa classificação permaneça debatida.

Reprocessamento

A maioria dos reatores de nêutrons térmicos opera em um ciclo do combustível nuclear sem reprocessamento, principalmente devido ao baixo preço do urânio novo. Algumas usinas, porém, também recebem material físsil recuperado do combustível nuclear irradiado. O material fissionável mais comum reciclado é o plutônio de grau reator (RGPu), extraído do combustível irradiado. Ele é misturado com óxido de urânio e transformado em combustível de óxido misto (MOX). Como os reatores térmicos de água leve (LWRs) continuam sendo os mais comuns em todo o mundo, esse tipo de reciclagem é o mais frequente. O reaproveitamento permite usar mais do combustível original, reduz o volume de resíduos de alta atividade e, na avaliação de seus defensores, torna o combustível irradiado menos atraente para roubo. O combustível MOX irradiado geralmente não pode ser reciclado para uso em reatores de nêutrons térmicos. Os reatores de nêutrons rápidos podem receber materiais que não seriam reutilizados da mesma forma em reatores térmicos, ampliando o aproveitamento do urânio original.

Depois de usado em reatores de água leve, o combustível ainda contém urânio que pode ser recuperado. Esse urânio reprocessado (RepU) pode alimentar um reator rápido ou um CANDU. Também pode ser enriquecido novamente para uso em outro reator de água leve. O reenriquecimento de urânio reprocessado é comum na França e na Rússia. O risco de desvio para armas depende da composição e do uso do material. Alguns projetos de combustível procuram dificultar esse desvio.

Até 95% do urânio e do plutônio presentes no combustível irradiado podem ser recuperados para novo uso, o que também pode reduzir a radioatividade de longa duração dos resíduos restantes. A separação de material que também poderia ser empregado em armas suscita preocupações de proliferação nuclear e de segurança. O reprocessamento também resulta em um custo de combustível mais elevado em comparação com o ciclo de combustível de passagem única. Embora o reprocessamento possa reduzir o volume de resíduos de alta atividade em 80%, ele não reduz os produtos de fissão, que são as principais causas da geração de calor residual e da radioatividade durante o primeiro século fora do reator. Assim, os resíduos reprocessados ​​ainda requerem um tratamento quase idêntico ao do combustível nuclear irradiado, pelo menos durante os primeiros cem anos, após os quais a radioatividade dos resíduos reprocessados ​​pode diminuir mais rapidamente.

A França, a Rússia, a Índia e o Japão mantêm atividades civis de reprocessamento em escalas diferentes. A grande usina de Rokkasho, no Japão, ainda tinha sua conclusão prevista para o exercício fiscal de 2026. No Reino Unido, o reprocessamento industrial terminou em 2022. Nos Estados Unidos, não há reprocessamento comercial do combustível nuclear irradiado de reatores civis. A instalação de reprocessamento de La Hague, na França, opera comercialmente desde 1976 e era responsável por metade do reprocessamento mundial em 2010. Ela produz combustível MOX a partir de combustível irradiado proveniente de diversos países. Mais de 32.000 toneladas de combustível irradiado foram reprocessadas até 2015, sendo a maior parte proveniente da França, 17% da Alemanha e 9% do Japão.

Os reatores de nêutrons térmicos, que predominam no mundo, deixam parte da energia do urânio e do plutônio ainda aproveitável após um ciclo de uso. Alguns aceitam plutônio recuperado na forma de combustível MOX. O reprocessamento e os reatores rápidos permitem aproveitar mais do material que permaneceu no combustível irradiado.

Em alguns países, como os Estados Unidos, o combustível irradiado é classificado integralmente como resíduo nuclear. Em outros países, como a França, ele é amplamente reprocessado para produzir um combustível parcialmente reciclado, conhecido como combustível de óxido misto ou MOX. Para o combustível irradiado que não passa por reprocessamento, os isótopos mais preocupantes são os elementos transurânicos de meia-vida intermediária, liderados pelo plutônio de grau reator (com meia-vida de 24.000 anos). Alguns projetos de reatores propostos, como o reator rápido integral e certos reatores de sal fundido de espectro rápido, podem usar plutônio e outros actinídeos recuperados do combustível irradiado de reatores de água leve. Nem todos os reatores de sal fundido operam com nêutrons rápidos. Esse aproveitamento pode reduzir parte do material a destinar a repositórios geológicos, embora ainda haja resíduos que precisem de disposição final.

Reprodução de combustível

Alguns reatores podem transformar material que não sustenta uma reação em cadeia em material físsil, utilizável como combustível nuclear. Nesse processo, chamado regeneração, o material de partida é dito fértil. Um exemplo é o urânio-238, abundante no urânio natural e presente no combustível irradiado. Em um reator regenerador, a conversão acontece durante a operação. Ao contrário dos reatores de nêutrons térmicos de água leve, que usam urânio-235 (0,7% de todo o urânio natural), reatores regeneradores podem transformar material fértil, como o urânio-238 (cerca de 99,3% do urânio natural), em material físsil, como o plutônio-239. O tório também pode ser convertido em urânio-233 em certos ciclos. A reação em cadeia precisa de material físsil, e nem todo reator de nêutrons rápidos é regenerador. Diversos ciclos de combustível e combinações de reatores regeneradores são considerados fontes de energia sustentáveis ​​ou renováveis. Em um cenário teórico publicado em 2006, a combinação de extração de urânio da água do mar e reatores regeneradores foi estimada como capaz de aproveitar recursos durante bilhões de anos. Essa estimativa teórica não significa que as técnicas estejam em uso comercial.

Reatores regeneradores já foram operados em diferentes países. Uma estimativa de 2006 calculava que, para compensar o custo do reprocessamento, o urânio precisaria custar mais de US$ 200 por quilograma. O interesse por esses projetos inclui a possibilidade de aproveitar actinídeos que já estão nos resíduos, gerar eletricidade e produzir novo combustível. Em 2017, havia dois reatores regeneradores produzindo energia comercialmente: o reator BN-600 e o reator BN-800, ambos na Rússia. O reator reprodutor Phénix na França foi desativado em 2009 após 36 anos de operação. Tanto a China quanto a Índia estão construindo reatores reprodutores. O Reator Prototipo de Reprodução Rápida de 500 MWe da Índia está na fase de comissionamento, com planos para construir mais.

Outra alternativa aos reatores de reprodução de nêutrons rápidos são os reatores de reprodução de nêutrons térmicos que usam urânio-233 gerado a partir de tório como combustível de fissão no ciclo do combustível de tório. O tório é cerca de 3,5 vezes mais comum que o urânio na crosta terrestre e possui características geográficas diferentes. O programa de energia nuclear de três estágios da Índia apresenta o uso de um ciclo de combustível de tório no terceiro estágio, já que o país possui abundantes reservas de tório, mas pouco urânio.

O ciclo do combustível de tório resulta em produtos de fissão semelhantes, embora crie uma proporção muito menor de elementos transurânicos a partir de eventos de captura de nêutrons dentro de um reator. O combustível de tório irradiado, embora mais difícil de manusear do que o combustível de urânio irradiado, pode apresentar riscos de proliferação um pouco menores.

Resíduos

A operação e a desmontagem das usinas produzem resíduos radioativos, desde roupas contaminadas até combustível irradiado. A classificação da AIEA distingue resíduos isentos, de vida muito curta, de atividade muito baixa, baixa, intermediária e alta. Os resíduos de baixa atividade têm baixa radioatividade e incluem itens contaminados, como roupas, que representam uma ameaça limitada. Os resíduos de alta atividade são principalmente o combustível irradiado de reatores nucleares, que é muito radioativo e deve ser resfriado e, em seguida, descartado ou reprocessado com segurança.

Resíduos de baixa atividade

Ver artigo principal: Resíduo radioativo de baixa atividade

Roupas, ferramentas, resinas usadas para purificar a água e, após o descomissionamento, partes da própria instalação podem se tornar resíduos de baixa atividade. Resíduos de baixa atividade podem ser armazenados no local até que os níveis de radiação sejam baixos o suficiente para serem descartados como lixo comum, ou podem ser enviados para um local de descarte de resíduos de baixa atividade.

Resíduos de atividade intermediária

Resíduos de atividade intermediária podem conter radionuclídeos de longa duração em quantidades que exigem isolamento maior do que o oferecido pela disposição próxima à superfície. Ao contrário dos resíduos de alta atividade, exigem pouca ou nenhuma dissipação de calor.

Resíduos de alta atividade

Ver artigos principais: Resíduo radioativo de alta atividade e Combustível nuclear irradiado

O combustível nuclear retirado dos reatores forma a principal parcela dos resíduos de alta atividade (RAA). Para reatores de água leve (RAL), o combustível irradiado é tipicamente composto por 95% de urânio, 4% de produtos de fissão e cerca de 1% de actinídeos transurânicos (principalmente plutônio, neptúnio e amerício). Os produtos de fissão são responsáveis ​​pela maior parte da radioatividade de curto prazo, enquanto o plutônio e outros transurânicos são responsáveis ​​pela maior parte da radioatividade de longo prazo.

O isolamento dos resíduos de alta atividade procura impedir que a radiação alcance pessoas e outros seres vivos na biosfera. Após serem removidos dos reatores, os conjuntos de combustível irradiado são armazenados por seis a dez anos em piscinas de combustível irradiado, que fornecem resfriamento e blindagem contra a radiação. Depois de perder parte do calor e da radioatividade inicial, ele pode ser transferido para contêineres secos. A atividade radioativa do combustível irradiado diminui com o tempo, sobretudo devido ao decaimento inicial dos produtos de fissão de vida curta. Qualquer estimativa numérica depende da composição do combustível e do tempo decorrido. Os produtos de fissão de curta duração (SLFPs), mais intensamente radioativos, decaem em elementos estáveis ​​em aproximadamente 300 anos e uma comparação ilustrativa da atividade do combustível irradiado com a do minério de urânio natural situa a aproximação das duas curvas na escala de dezenas a centenas de milhares de anos, conforme os pressupostos adotados.

Os métodos comumente sugeridos para isolar os resíduos de produtos de fissão de longa duração (LLFP) da biosfera incluem separação e transmutação, tratamentos Synroc ou armazenamento geológico profundo.

Comparação com outros resíduos

Ver também: Resíduo radioativo § Materiais radioativos naturais

Em países com energia nuclear, os resíduos radioativos representam menos de 1% do total de resíduos tóxicos industriais, muitos dos quais permanecem perigosos por longos períodos. No geral, a energia nuclear produz muito menos resíduos em volume do que as usinas termelétricas a combustíveis fósseis. As usinas a carvão, em particular, produzem grandes quantidades de cinzas tóxicas e levemente radioativas resultantes da concentração de materiais radioativos naturais no carvão.

A queima de carvão pode liberar mais material radioativo no ambiente do que a operação normal de usinas nucleares. Uma comparação estimou que a dose de radiação recebida pela população devido às usinas a carvão era cem vezes maior. Embora sejam muito menos radioativas por unidade de massa do que o combustível nuclear irradiado, as cinzas de carvão são produzidas em quantidades muito maiores por unidade de energia gerada. Elas também são liberadas diretamente no meio ambiente como cinzas volantes, enquanto as usinas nucleares usam blindagem para proteger o meio ambiente de materiais radioativos.

Na usina de Yankee Rowe, 16 contêineres guardam todo o combustível irradiado acumulado durante a geração de 44 bilhões de quilowatts-hora de eletricidade. O volume é pequeno em relação à energia produzida, embora o material exija isolamento e vigilância. Estima-se que, para produzir o suprimento de energia necessário para uma vida inteira de uma pessoa com um padrão de vida ocidental (aproximadamente 3 GWh), seria necessário um volume de urânio pouco enriquecido da ordem do volume de uma lata de refrigerante, resultando em um volume semelhante de combustível irradiado gerado.

Destinação dos resíduos

Após o resfriamento inicial na piscina, os conjuntos de barras de combustível usado costumam permanecer na própria usina dentro de contêineres secos.

A decisão sobre onde guardar os resíduos por longos períodos provoca controvérsias entre governos e comunidades. A baixa mobilidade dos resíduos nos reatores naturais de fissão de Oklo, no Gabão, formados há cerca de 2 bilhões de anos, é citada como "uma fonte de informação essencial". Os projetos de repositórios geológicos profundos procuram manter o material isolado e sob controle durante longos períodos. Existe um "consenso internacional sobre a conveniência de armazenar resíduos nucleares em repositórios geológicos profundos". Com o advento de novas tecnologias, outros métodos, incluindo o descarte por perfuração horizontal em áreas geologicamente inativas, foram propostos.

Em 2008, ainda não havia repositórios subterrâneos de resíduos de alta atividade construídos especificamente para esse fim em escala comercial em operação. Na Finlândia, o repositório Onkalo de combustível nuclear irradiado, da Usina Nuclear de Olkiluoto, estava em construção em 2015. Em setembro de 2026, a autoridade finlandesa de segurança nuclear havia concluído a avaliação favorável à licença de operação. A decisão do governo, o comissionamento e outras autorizações ainda eram necessários antes do início da disposição final.

Custos e financiamento

O investimento inicial para construir uma usina nuclear é alto, e a demora da obra ou o custo do financiamento podem encarecer cada unidade de eletricidade produzida. Por isso, os valores projetados para novas usinas variam conforme o prazo e as condições financeiras de cada projeto.

A análise da viabilidade econômica da energia nuclear também deve levar em consideração quem arca com os riscos das incertezas futuras. Em 2010, todas as usinas nucleares em operação haviam sido desenvolvidas por monopólios de concessionárias de energia elétrica estatais ou regulamentadas. Muitos países liberalizaram o mercado de eletricidade desde então, de modo que esses riscos, bem como o risco de surgimento de concorrentes mais baratos antes da recuperação dos custos de capital, são suportados pelos fornecedores e operadores das usinas, e não pelos consumidores, o que leva a uma avaliação diferente da viabilidade econômica de novas usinas nucleares.

Em um cenário publicado em 2020 pela Agência Internacional de Energia e pela Agência de Energia Nuclear da OCDE, o custo nivelado da energia (LCOE) de uma nova usina nuclear foi estimado em US$ 69/MWh. Isso representa a estimativa de custo mediano para uma usina nuclear de uma série já estabelecida, a ser concluída em 2025, com uma taxa de desconto de 7%. Naquele levantamento, os resultados dependiam das condições financeiras, técnicas e locais consideradas. As energias renováveis ​​variáveis ​​podem gerar eletricidade mais barata: o custo médio da energia eólica onshore foi estimado em US$ 50/MWh e o da energia solar em escala de utilidade pública em US$ 56/MWh. Os custos por megawatt-hora dessas fontes não podem ser comparados sem levar em conta que sua produção varia com o vento e o sol. Medidas para mitigar o aquecimento global, como um imposto sobre o carbono ou o comércio de emissões de carbono, podem favorecer a economia da energia nuclear. Com o custo de emissão de CO2 assumido em 30 USD/ton, a energia proveniente do carvão (88 USD/MWh) e do gás (71 USD/MWh) é mais cara do que as tecnologias de baixo carbono. A geração de eletricidade a partir da operação de longo prazo de usinas nucleares, por meio da extensão de sua vida útil, foi considerada a opção de menor custo, a 32 USD/MWh.

A experiência das equipes e o ritmo das obras também mudam os custos de um projeto para outro e de um país para outro. Os únicos dois países para os quais há dados disponíveis que apresentaram redução de custos na década de 2000 foram a Índia e a Coreia do Sul.

Certos projetos apresentaram vantagens econômicas consideráveis ​​desde o início, como o CANDU, que alcançou um fator de capacidade e confiabilidade muito maiores em comparação com os reatores de água leve de segunda geração até a década de 1990. Devido ao projeto de reabastecimento online, os reatores PHWR (dos quais o projeto CANDU faz parte) continuam a deter muitos recordes mundiais de geração contínua de eletricidade, frequentemente acima de 800 dias. O recorde específico em 2019 era detido por um PHWR na Usina Nuclear de Kaiga, que gerou eletricidade continuamente por 962 dias.

Em alguns países, consumidores passaram a pagar antecipadamente por possíveis custos excedentes. Em outros, usinas receberam subsídios para continuar operando, enquanto novos projetos foram questionados por seu custo. Os operadores nucleares são responsáveis ​​pelo pagamento da gestão de resíduos na União Europeia. Nos Estados Unidos, o governo federal assumiu a responsabilidade pela disposição final do combustível irradiado, com custos que podem recair sobre os contribuintes. Mesmo onde a lei exige que o responsável pelos resíduos pague por eles, parte das despesas pode acabar transferida ao público. Na instalação alemã de Asse II, por exemplo, os contribuintes pagam pela retirada de grandes quantidades de resíduos. Da mesma forma, outras formas de energia, incluindo combustíveis fósseis e energias renováveis, têm uma parte de seus custos coberta por governos.

A energia nuclear opera sob uma estrutura de seguros que limita ou estrutura as responsabilidades por acidentes de acordo com convenções nacionais e internacionais. Argumenta-se frequentemente que essa potencial insuficiência de cobertura representa um custo externo não incluído no custo da eletricidade nuclear. Uma estimativa para os Estados Unidos calculou essa parcela em cerca de 0,1% do custo nivelado da eletricidade.

Esses custos de seguro adicionais para cenários de pior caso não são exclusivos da energia nuclear. As usinas hidrelétricas também não são totalmente seguradas contra um evento catastrófico, como o rompimento de barragens. Por exemplo, o rompimento da barragem de Banqiao causou a morte de um número estimado entre 30.000 e 200.000 pessoas, e 11 milhões perderam suas casas. Como as seguradoras privadas baseiam os prêmios de seguro contra barragens em cenários limitados, o seguro contra grandes desastres nesse setor também é fornecido pelo Estado.

Política energética e dependência tecnológica

Na União Europeia, a taxonomia de atividades econômicas sustentáveis passou a incluir determinadas atividades nucleares como atividades de transição, sujeitas a condições específicas de segurança nuclear e ambiental.

Em 2023, a empresa estatal russa de energia nuclear Rosatom era a maior participante do mercado internacional de energia nuclear, construindo usinas nucleares em todo o mundo. Enquanto o petróleo e o gás russos foram alvo de sanções internacionais após a invasão russa da Ucrânia em fevereiro de 2022, a Rosatom não foi alvo de sanções. Alguns países, especialmente na Europa, reduziram ou cancelaram projetos de usinas nucleares que seriam construídas pela Rosatom.

Proteção dos reatores e fiscalização

A segurança de uma usina nuclear depende de manter os materiais radioativos dentro de suas barreiras de proteção e de retirar continuamente o calor do reator nuclear. Mesmo depois que a reação em cadeia para, os produtos da fissão continuam aquecendo o combustível. Se o calor não puder ser removido do reator, as barras de combustível podem sobreaquecer e libertar materiais radioativos. Certos projetos também precisam de proteção contra aumentos rápidos e descontrolados da potência. O projeto de segurança procura prevenir esses eventos e limitar suas consequências.

A resposta da reação nuclear a mudanças de temperatura e à formação de vapor depende do projeto do reator. Em certos modelos, bolhas de vapor no líquido de resfriamento reduzem a velocidade da reação. Em alguns reatores de água pesada, elas podem aumentá-la. Esse comportamento, medido pelo coeficiente de vazio, precisa ser levado em conta nos sistemas de desligamento. Inserir as barras de controle no núcleo interrompe a reação em cadeia. Os sistemas de resfriamento de emergência do núcleo (ECCS) podem remover o calor residual do reator caso os sistemas de resfriamento normais falhem. Se o ECCS falhar, múltiplas barreiras físicas limitam a liberação de materiais radioativos para o meio ambiente, mesmo em caso de acidente. A última barreira física é o grande edifício de contenção.

A fiscalização começa antes da construção e acompanha a instalação até o encerramento das atividades. Os padrões da AIEA preveem autorização, avaliação e inspeções, atribuem ao operador a responsabilidade principal pela segurança e exigem que o órgão regulador seja independente em suas decisões sobre ela.

Proteção radiológica na operação

Além dos dispositivos que controlam o reator, a operação requer medidas para reduzir a exposição das pessoas à radiação ionizante. Os locais de trabalho são avaliados e, quando há risco de exposição, as doses recebidas por cada trabalhador são acompanhadas. As medições ajudam a ajustar os procedimentos de proteção. Para a população e o ambiente ao redor da instalação, o monitoramento de radiação e radioatividade permite comparar as condições durante a operação com as medições de referência anteriores ao início das atividades e verificar as exposições e descargas autorizadas.

Efeitos sobre a saúde

Uma comparação que reúne acidentes e efeitos da poluição do ar estimou 0,03 morte por TWh de eletricidade nuclear. Entre as fontes incluídas naquele cálculo, apenas a energia solar apresentou valor menor. A energia produzida por carvão, petróleo, gás natural e energia hidroelétrica causou mais mortes por unidade de energia gerada devido à poluição atmosférica e a acidentes energéticos. Comparações desse tipo dependem de quais mortes diretas e indiretas, como as relacionadas à poluição do ar e ao câncer após acidentes, entram nos cálculos.

Ao comparar as fatalidades diretas e indiretas (incluindo as resultantes da mineração e da poluição do ar) da energia nuclear e dos combustíveis fósseis, calculou-se que o uso da energia nuclear evitou cerca de 1,84 milhão de mortes por poluição do ar entre 1971 e 2009, reduzindo a proporção de energia que, de outra forma, teria sido gerada por combustíveis fósseis. Após o desastre nuclear de Fukushima em 2011, estimou-se que, se o Japão nunca tivesse adotado a energia nuclear, acidentes e poluição provenientes de usinas a carvão ou gás teriam causado mais anos de vida perdidos.

Quando um acidente nuclear obriga pessoas a deixar suas casas e empregos, a perda da rotina também pode prejudicar a saúde, mesmo sem uma alta dose de radiação. Os deslocamentos prolongados atingiram com especial gravidade idosos e pacientes hospitalizados. A evacuação forçada devido a um acidente nuclear pode levar ao isolamento social, ansiedade, depressão, problemas médicos psicossomáticos, comportamento imprudente e suicídio. Após o desastre de Chernobyl, o sofrimento psicológico e as mudanças na vida das pessoas também se tornaram problemas de saúde pública. O medo da radiação, chamado radiofobia quando desproporcional ao risco, pode prolongar o sofrimento de moradores de áreas atingidas, como ocorreu após Fukushima.

Acidentes

A história da energia nuclear inclui acidentes em usinas, reatores experimentais e instalações que manipulam materiais radioativos. A gravidade dos acidentes nucleares é geralmente classificada usando a Escala Internacional de Eventos Nucleares (INES), introduzida pela Agência Internacional de Energia Atômica (AIEA). A escala classifica eventos anômalos ou acidentes numa escala de 0 (um desvio da operação normal que não representa risco à segurança) a 7 (um acidente grave com efeitos generalizados). Entre os acidentes em reatores de geração civil, Three Mile Island foi classificado no nível 5. Chernobyl e Fukushima receberam o nível 7. A escala também abrange acidentes em outras partes do setor nuclear, como reprocessamento de combustível.

Os primeiros grandes acidentes nucleares foram o desastre de Kyshtym, na União Soviética, e o incêndio de Windscale, no Reino Unido, ambos em 1957. O primeiro grande acidente num reator nuclear nos EUA ocorreu em 1961 no SL-1, um reator nuclear experimental do Exército dos EUA no Laboratório Nacional de Idaho. Uma reação em cadeia descontrolada resultou em uma explosão de vapor que matou os três tripulantes e causou um derretimento do núcleo. Outro acidente grave ocorreu em 1968, quando um dos dois reatores refrigerados a metal líquido a bordo do submarino soviético K-27 sofreu uma falha no elemento combustível, com a emissão de produtos de fissão gasosos no ar circundante, resultando em 9 mortes da tripulação e 83 feridos.

O acidente nuclear de Fukushima Daiichi foi causado pelo terremoto e tsunami de Tohoku em 2011. Entre os moradores de Fukushima, não foram documentados efeitos adversos à saúde diretamente atribuíveis à radiação do acidente. A contaminação de áreas próximas e a evacuação causaram, porém, graves efeitos sociais. O plano de descomissionamento da usina acidentada prevê de 30 a 40 anos de trabalho. O acidente de Three Mile Island em 1979 foi um acidente de menor escala, classificado como nível 5 da INES. A Comissão Reguladora Nuclear dos Estados Unidos não identificou efeitos à saúde dos trabalhadores ou do público causados pelas pequenas liberações radioativas do acidente.

O número de mortes, os danos ambientais e as perdas econômicas de um acidente podem variar conforme o método usado para avaliá-los. Segundo Benjamin K. Sovacool, os acidentes com energia de fissão nuclear ocupam o primeiro lugar entre as fontes de energia em termos de custo econômico total, representando 41% de todos os danos materiais atribuídos a acidentes energéticos. Outra análise constatou que acidentes com carvão, petróleo, gás liquefeito de petróleo e hidrelétricas (principalmente devido ao desastre da barragem de Banqiao) resultaram em impactos econômicos maiores do que acidentes com energia nuclear.

Essa comparação reúne mortes futuras por câncer atribuíveis à energia nuclear e mortes imediatas causadas por acidentes com outras fontes de energia, divididas pela eletricidade gerada, e não inclui o câncer relacionado a combustíveis fósseis e outras mortes indiretas causadas pelo consumo de combustíveis fósseis em sua classificação de "acidente grave" (um acidente com mais de cinco fatalidades). Em Chernobyl, duas pessoas morreram logo após a explosão e 28 morreram de síndrome aguda da radiação nos três meses seguintes. Também houve aumento de câncer de tireoide entre pessoas expostas na infância. Em 2005, o Fórum de Chernobyl projetou até 4.000 mortes por câncer relacionadas à radiação entre os grupos mais expostos ao longo da vida. O número é uma projeção estatística sujeita a incertezas, não uma contagem de mortes observadas.

Ataques e sabotagem

Terroristas poderiam atacar usinas nucleares numa tentativa de liberar contaminação radioativa na comunidade. A Comissão do 11 de Setembro dos Estados Unidos afirmou que usinas nucleares eram alvos potenciais originalmente considerados para os ataques de 11 de setembro de 2001. Um ataque à piscina de combustível irradiado de um reator também poderia ser grave, já que essas piscinas são menos protegidas do que o núcleo do reator. A liberação de radioatividade pode levar a milhares de mortes a curto prazo e a um número ainda maior de fatalidades a longo prazo.

Nos Estados Unidos, a Comissão Reguladora Nuclear realiza exercícios de "Força contra Força" (FOF, na sigla em inglês) em todas as usinas nucleares pelo menos uma vez a cada três anos. Nos Estados Unidos, as usinas são cercadas por uma dupla fileira de cercas altas, monitoradas eletronicamente. As instalações são patrulhadas por uma força considerável de guardas armados.

A sabotagem interna também representa uma ameaça, pois pessoas de dentro podem observar e contornar as medidas de segurança. Em 1971, um incêndio provocado intencionalmente por um funcionário da manutenção causou danos de 5 a 10 milhões de dólares à Usina Nuclear de Indian Point, em Nova York.

Mineração e recuperação de áreas

Antes de chegar ao reator, o urânio passa por extração e beneficiamento, atividades que exigem o controle dos rejeitos, da água e dos efeitos sobre o solo e os ecossistemas, além de medidas de recuperação da área após o encerramento das atividades.

Água de resfriamento

O resfriamento de usinas nucleares pode exigir a captação de água de rios, lagos ou do mar. Em sistemas de circulação aberta, parte dessa água retorna mais quente ao corpo d'água, e a captação pode arrastar ou reter organismos aquáticos. Os efeitos dependem da instalação e das medidas de controle adotadas. Limites para a descarga de água aquecida e requisitos para as estruturas de captação procuram proteger a vida aquática.

Temperaturas elevadas da água e períodos de seca também podem reduzir a produção de algumas usinas. O efeito depende do local e do sistema de resfriamento.

Emissões de carbono

Ao contar as emissões desde a construção da usina até o preparo do combustível e o descomissionamento, a eletricidade nuclear tem emissões de gases de efeito estufa por unidade gerada comparáveis às das fontes renováveis. A mediana calculada para as emissões ao longo do ciclo de vida da energia nuclear foi de 12 g de CO2 equivalente por kWh, abaixo das outras fontes comerciais de fornecimento contínuo incluídas nessa comparação. Isso contrasta com o carvão e o gás natural, que apresentam 820 e 490 g CO2eq/kWh, respectivamente. Em comparação com a geração a carvão, a eletricidade nuclear produzida desde 1970 evitou, em uma estimativa publicada em 2021, a emissão de 72 bilhões de toneladas de dióxido de carbono.

Radiação

A UNSCEAR estima em cerca de 3,0 milisieverts por ano (mSv/a) a dose média mundial da radiação de fundo natural, em uma avaliação mais recente que substituiu a estimativa de 2,4 mSv/ano. Ela varia entre 1 mSv/a e 13 mSv/a, dependendo principalmente da geologia do local. A operação das usinas nucleares, incluindo o ciclo do combustível nuclear, acrescenta cerca de 0,0002 mSv/a à exposição média mundial da população. A dose média de radiação proveniente de usinas nucleares em operação para as populações locais ao seu redor é inferior a 0,0001 mSv/ano. Para comparação, a dose média para aqueles que vivem a até 80 km de uma usina termelétrica a carvão é mais de três vezes maior, chegando a 0,0003 mSv/ano.

Na avaliação da UNSCEAR, as doses efetivas médias dos grupos mais afetados por Chernobyl foram de aproximadamente 120 mSv entre 530.000 trabalhadores da recuperação, 30 mSv entre 115.000 pessoas evacuadas e 9 mSv, acumulados nas duas primeiras décadas, entre moradores das áreas contaminadas que ali permaneceram. Enquanto isso, o legado global remanescente do pior acidente em usina nuclear, em termos de exposição média, é de 0,002 mSv/ano e continua a diminuir a uma taxa decrescente, partindo do pico inicial de 0,04 mSv por pessoa, em média, para toda a população do Hemisfério Norte no ano do acidente, em 1986.

Uso do solo

A área mediana de terra utilizada por usinas nucleares nos EUA por 1 GW de capacidade instalada é de 3,4 km². Para gerar a mesma quantidade de eletricidade anualmente (levando em consideração os fatores de capacidade) a partir de energia solar fotovoltaica, seriam necessários cerca de 155 km², e de um parque eólico, cerca de 803 km². Não estão incluídos nisso os terrenos necessários para as linhas de transmissão associadas, abastecimento de água, linhas ferroviárias, mineração e processamento de combustível nuclear e para o descarte de resíduos.

Comparação com fontes renováveis

A escolha das fontes capazes de substituir combustíveis fósseis na matriz energética mundial provoca divergências entre as propostas para reduzir o aquecimento global, inclusive entre pesquisadores que modelam sistemas elétricos. Em alguns cenários da Agência Internacional de Energia, países que ainda não usam reatores também poderiam desenvolver energia nuclear ao lado das fontes de energia renovável.

Quando as mortes são divididas pela eletricidade produzida, as estimativas para a energia nuclear ficam próximas das de algumas fontes renováveis. A bioenergia teve taxas mais altas em alguns países, mas responde por uma parcela menor da geração elétrica.

A quantidade de resíduos de uma usina nuclear é menor em volume que a de muitas tecnologias renováveis. O combustível irradiado, porém, é mais perigoso, custa mais para administrar e exige isolamento por períodos muito mais longos. Os resíduos nucleares podem ser perigosos se vazarem para o meio ambiente e precisam ser armazenados com segurança por milhares ou mesmo centenas de milhares de anos.

Na desativação de uma usina nuclear, os equipamentos são removidos com controle da contaminação. Parte dos materiais retirados precisa permanecer armazenada como resíduo de baixa atividade por décadas, tarefa que não costuma existir na mesma escala para instalações renováveis.

O plutônio separado e o urânio enriquecido exigem controles porque podem ser desviados para a fabricação de armas nucleares, cujo uso causaria danos humanos e ambientais.

Projetos avançados de reatores de fissão

A maior parte da eletricidade nuclear vem de reatores de segunda e terceira gerações. Os projetos de primeira geração, construídos há mais tempo, em sua maioria já foram desativados. O Fórum Internacional de Geração IV (GIF) organizou a pesquisa de projetos mais avançados em torno de oito objetivos, entre eles reduzir custos, melhorar a segurança, dificultar a proliferação de armas e aproveitar melhor o combustível e os resíduos na geração de eletricidade. Muitos desses conceitos diferem dos reatores de água leve em uso e foram concebidos para possível construção comercial após 2030.

Pequenos reatores modulares

Os pequenos reatores modulares agrupam projetos que procuram usar componentes fabricados em módulos. Alguns empregam tecnologias já conhecidas, de modo que o nome não indica, por si só, um reator de quarta geração. Há projetos derivados de tecnologias de água leve já utilizadas comercialmente e outros baseados em conceitos mais avançados. As promessas de redução de custo e prazo precisam ser avaliadas separadamente para projetos no papel, licenciados, em construção e já em operação.

Na década de 2020, fabricantes passaram a investir mais em pequenos reatores modulares (SMR). A expectativa é que unidades menores sejam construídas mais depressa e que a fabricação em série reduza custos, embora as usinas grandes ainda se beneficiem da produção em maior escala. Em 2026, a implantação comercial dos SMR ainda dependia de licenciamento, financiamento e capacidade de fabricação.

O projeto da NuScale Power, entre outros, prevê fabricar parte do reator em módulos e montá-los na usina, numa tentativa de reduzir o investimento inicial.

Híbridos de fusão e fissão

Um reator híbrido usaria nêutrons liberados pela fusão para manter processos de fissão nuclear ao redor dela. A ideia surgiu na década de 1950 e recebeu apoio de Hans Bethe nos anos 1970. Após décadas de pouco desenvolvimento, voltou a ser estudada no começo do século XXI. Em projetos híbridos, os nêutrons provenientes da fusão poderiam sustentar reações de fissão e contribuir para transmutar parte dos actinídeos de longa vida presentes no combustível nuclear irradiado. Ainda não há confirmação de que uma instalação desse tipo reduziria os resíduos na escala prevista pelos modelos.

Fusão

A fusão nuclear poderia gerar eletricidade com menos resíduos radioativos de longa duração e evitar alguns riscos próprios da reação em cadeia da fissão. Para transformar essa possibilidade em uma usina, é preciso manter a reação e retirar dela energia de forma estável por longos períodos. A fusão é pesquisada desde a década de 1950. Em 2022, um experimento com lasers liberou na reação mais energia do que os feixes entregaram ao alvo, embora isso ainda não corresponda à produção de eletricidade para a rede. A geração comercial de eletricidade por fusão ainda não existe e sua difusão antes de 2050 era considerada improvável nas projeções citadas.

Entre os experimentos de fusão, o ITER reúne países em torno da construção de um grande tokamak na França. O projeto pretende alcançar um plasma aquecido principalmente pela própria fusão. Sua meta é liberar cerca de 500 MW de potência de fusão enquanto 50 MW de aquecimento externo são fornecidos ao plasma. O experimento não converterá esse calor em eletricidade. A construção começou em 2007 e avançou mais lentamente, com custos maiores que os planejados. O cronograma apresentado em 2024 prevê o início das operações de pesquisa em 2034 e da fase de experimentos com deutério e trítio em 2039. Uma usina de energia de fusão nuclear comercial subsequente, a DEMO, foi proposta. Há também sugestões para uma usina baseada em uma abordagem de fusão diferente, a de uma usina de fusão inercial.

A experiência com a fissão levou à expectativa inicial de que a fusão também produziria eletricidade rapidamente. Conter um plasma muito quente e manter a reação por tempo suficiente se mostraram obstáculos mais difíceis do que se previa. As projeções publicadas em torno de 2020 ainda situavam a produção comercial de eletricidade por fusão para depois de 2050.

O Departamento de Energia dos Estados Unidos destinou US$ 46 milhões a oito empresas, incluindo a Commonwealth Fusion Systems e a Tokamak Energy, em 2023. O programa pretende apoiar demonstrações de fusão em escala piloto ao longo da década seguinte.

Notas

Referências