O mundo precisa de muita energia. O desenvolvimento tecnológico hoje exige muito mais energia do que foi produzida até agora. Os dados mostram que quanto maior o PNB, maior a produção e o consumo de energia per capita e quanto maior a produção de energia, maior a longevidade das pessoas. A produção de energia mais usual baseia-se na queima de fósseis (madeira, carvão, petróleo, gás natural), mas esses recursos naturais em breve se esgotarão ou tornar-se-ão proibitivamente caros. As estimativas atuais variam de cerca de 50 a 150 anos. Mais cedo ou mais tarde precisaremos de outras formas de energia. Poderia a energia nuclear ser a resposta?

Todos os recursos naturais como energia geotérmica, energia eólica, energia solar etc. envolvem custos elevados e, devido ao carácter intermitente da energia eólica ou solar, requerem um poderoso apoio na forma de sistemas de energia de base confiáveis. A energia hídrica é uma fonte de energia importante e barata e pode operar de forma constante como sistema de carga de base, mas os seus recursos são limitados e em muitos países esses recursos já foram explorados até à exaustão.

Já temos uma grande fonte de energia, altamente eficiente (mais do que qualquer outra!), à nossa disposição – nomeadamente a energia nuclear. Atualmente, cerca de 16% da energia elétrica produzida em todo o mundo é nuclear. Esta energia pode cobrir a procura de energia da humanidade por milhares de anos – e ainda melhor, estima-se que os reatores de reprodução possam fornecer energia por até alguns bilhões de anos! O custo total de produção de energia elétrica a partir de centrais nucleares, incluindo os custos dos sistemas de segurança, proteção contra a proliferação de materiais físseis, futuro desmantelamento do reator e custos do tratamento e proteção dos resíduos nucleares, demonstrou ser um dos mais baixos entre as várias fontes de energia.

A produção de energia nuclear não cria poluição ambiental e não contribui para o aquecimento global. Seria, portanto, um terrível desperdício de recursos se a humanidade não fizesse uso extensivo da energia nuclear. O problema técnico é usá-la da forma mais segura possível. Por exemplo, cada 22 toneladas de urânio usado para eletricidade poupa a emissão de cerca de um milhão de toneladas de dióxido de carbono que resultariam do uso equivalente de carvão.

Existem riscos ligados à possibilidade de grave falha do reator, à radiação ionizante libertada, ao manuseamento de resíduos nucleares e à proliferação de material físsil. A avaliação desses riscos, no entanto, é uma tarefa difícil, pois não se enquadram na classe geral de riscos "voluntários". No entanto, para uma ideia aproximada podemos olhar para as "mortes por energia elétrica produzida". A mineração convencional de carvão e acidentes em poços de petróleo, juntamente com a poluição do ar causada pela queima de combustíveis fósseis, resultam num fator de risco que é cerca de 40 vezes maior do que em toda a indústria nuclear, desde a mineração de urânio até potenciais falhas de centrais nucleares, combinadas. Uma única falha de barragem ou simples acidente numa fábrica química pode matar até milhares de pessoas, enquanto naquilo que foi provavelmente a pior (e muito única) catástrofe em toda a história da energia nuclear, Chernobyl, apenas 31 pessoas foram mortas, 28 delas por grande dose de radiação absorvida. Todo o programa nuclear dos EUA comporta um risco semelhante ao de aumentar o limite de velocidade na autoestrada de 80 km/h para 81 km/h!

O gráfico à esquerda ilustra os riscos relativos (medidos como mortes por TWh produzido) de várias fontes de energia: (Fonte da imagem: www.adamsmith.org)

Durante a recente falha da central nuclear de Fukushima, houve uma libertação massiva de material radioativo no ambiente e os especialistas preveem que haverá um aumento significativo nos casos de cancro entre a população local nos próximos 50 anos. No entanto, o número imediato de mortes devido à radiação foi zero.

Sabemos agora que núcleos radioativos são produzidos durante a fissão. O número de neutrões no urânio (143 ou 146) excede em muito o número de protões (92), tornando-o relativamente estável (a vida do ²³⁸U é de 4,5 bilhões de anos, e a vida do ²³⁵U é de 1,3 bilhões de anos). Em núcleos menores, a razão neutrão-protão necessária para um isótopo estável é menor. Assim, quando o núcleo se divide nos menores, o número de neutrões em cada fragmento é maior do que o necessário para o tornar estável. Isso significa que os fragmentos de fissão são instáveis, isto é, radioativos – e bastantes deles têm longas vidas.

Além dos fragmentos de fissão, elementos transurânicos são também produzidos por captura de neutrões dentro do combustível nuclear. Digamos que um neutrão rápido é capturado pelo ²³⁸U. Então, após dois decaimentos beta, forma-se ²³⁹Pu – um elemento físsil que nos reatores de reprodução serve como combustível (e então falamos do ciclo urânio-plutônio). No entanto, o mesmo isótopo num reator do tipo PWR torna-se resíduo nuclear. Deve-se também lembrar que durante a operação do reator os materiais de construção do reator ficam ativados (um produto típico de tal ativação é o ⁶⁰Co) e têm de ser manuseados adequadamente.

Classificação dos resíduos nucleares:

Tipo	Por Volume	Por Conteúdo Radioativo
Resíduos de Alta Atividade	3%	95%
Resíduos de Média Atividade	7%	4%
Resíduos de Baixa Atividade	90%	1%

Os resíduos de alta atividade constituem apenas 3% do volume total de resíduos resultantes da geração nuclear, mas contêm 95% da radioatividade. Os resíduos de baixa atividade representam 90% do volume total de resíduos radioativos, mas contêm apenas cerca de 1% da radioatividade.

Os resíduos nucleares colocam sérios problemas tecnológicos que devem ser resolvidos para tornar a energia nuclear segura para o público. Ao contrário do carvão, petróleo ou gás, o combustível nuclear nunca queima completamente. Isso deve-se ao facto de que durante o processo de "queima", são criados vários núcleos que absorvem fortemente neutrões. Com o tempo, os neutrões produzidos durante a fissão serão absorvidos principalmente pelos produtos de reações anteriores. A multiplicação do seu número num único ato de fissão não será suficiente para manter a reação em cadeia. Então o elemento combustível não pode servir como combustível e torna-se resíduo nuclear altamente radioativo.

Além disso, as vidas médias dos elementos produzidos na reação de fissão são muitas vezes tão longas quanto dezenas ou mesmo centenas de milhares de anos, por isso deve-se ter cuidado especial ao armazenar tais resíduos, e tem de os armazenar com segurança por um tempo muito, muito longo. É isso que cria sérios problemas sociais, políticos e regulatórios para a eliminação desses resíduos.

Em reatores de pesquisa que não produzem tanto combustível gasto, a forma mais simples é usar um tanque de armazenamento de água, geralmente colocado junto ao tanque do reator. O combustível gasto pode ser mantido enquanto a corrosão nos invólucros do combustível o permitir, geralmente cerca de 30-40 anos. Entretanto, a temperatura das varetas de combustível gasto diminui e os processos de decaimento natural tornam a sua atividade menor. Mais 40 ou 50 anos de armazenamento devem passar antes que a atividade do combustível gasto fique suficientemente baixa para ser enviada ao repositório final de resíduos nucleares.

No caso das centrais nucleares, métodos semelhantes podem ser empregados. No entanto, após alguns anos de manutenção do combustível gasto no tanque de água, o combustível é transferido para fábricas de reprocessamento onde pode ser submetido a um processo químico em que elementos físseis (urânio e plutônio e outros elementos transurânicos) são recuperados e eventualmente usados na produção de novo combustível para reator. O material restante, maioritariamente em forma líquida, é vitrificado, encerrado em enormes contentores metálicos (casks) e enviado ao repositório. Esta tecnologia não é muito generalizada, pois requer um ambiente de alta tecnologia. Se o combustível gasto não for reprocessado, deve ser armazenado diretamente, em casks metálicos apropriados, em repositórios especiais profundos no subsolo: por exemplo em antigas minas de sal, argilas ou rocha granítica.

O armazenamento de resíduos nucleares a níveis de 500-1000 m abaixo do solo proporciona maior segurança do que o armazenamento à superfície. A radiação emitida após, digamos, um período de 1000 anos, estará ao nível da radiação natural nos primeiros 1000 m da crosta terrestre. Claro que se aprendermos a transmutar e incinerar resíduos nucleares o problema tornar-se-á ainda mais fácil de resolver. O armazenamento profundo não representa nenhum perigo real para as pessoas que vivem perto dos locais de armazenamento, a menos que alguém acidentalmente tente usar o terreno para outro fim e comece a perfurar. Mesmo nesse caso, no entanto, o perigo permaneceria local e certamente não atingiria proporções globais.

Ao discutir os riscos ligados aos resíduos nucleares industriais, muitas vezes se esquece que a própria crosta terrestre contém muitos elementos radioativos que difundem continuamente para a superfície e formam parte do fundo radioativo natural.

Como ilustra a figura acima, os resíduos nucleares contribuem apenas com uma pequena proporção para a radiação de fundo. Por exemplo, todos os resíduos radioativos acumulados até o ano 2000, permitindo o arrefecimento por 500 anos, mostrarão uma atividade equivalente à radioatividade natural de uma fatia de solo 30x30x2 km (2 quilómetros é a profundidade típica de um repositório subterrâneo de resíduos).

Começa-se com a mineração do minério de urânio. O minério é então triturado e moído numa pó fino. Finalmente, passa por um processo químico que permite separar o urânio do minério. Como resultado, obtém-se óxido de urânio U₃O₈. Para operar uma central nuclear que gera, digamos, 1000 MW de energia elétrica, necessita-se de cerca de 200 toneladas de U₃O₈ por ano.

O próximo passo consiste no enriquecimento do urânio em ²³⁵U. O processo começa pela conversão do trióxido de urânio em hexafluoreto de urânio gasoso (UF₆). Centrífugas de alta velocidade são usadas para separar o gás em duas partes: a remoção de ²³⁸U torna uma corrente enriquecida em ²³⁵U, enquanto outra está empobrecida em ²³⁵U. A primeira será usada para a fabricação de combustível nuclear, enquanto a segunda, "urânio empobrecido", pode ser usada por exemplo em forma metálica como escudo muito eficiente contra a radiação gama.

Após queimar o combustível num reator nuclear, o combustível gasto é armazenado e depois ou reprocessado para recuperar elementos físseis (²³⁵U e ²³⁹Pu) dele ou preparado para armazenamento a longo prazo sem reprocessamento.

Existe um forte incentivo para reduzir, por um fator de 100 ou mais, o volume e a radiotoxicidade dos Resíduos de Alta Atividade (HLW) destinados ao armazenamento profundo no subsolo. Verifica-se que cerca de 97% do combustível gasto pode ser reciclado, o restante fica como resíduos nucleares altamente radioativos. O urânio recuperado contém apenas cerca de 1% de ²³⁵U (o chamado "urânio empobrecido"). Para além do armazenamento geológico, há também interesse em Tecnologias de Particionamento e Transmutação (P&T) que permitiriam uma separação de actinídeos (Pu em particular), os chamados actinídeos menores (Np, Am e Cm) e alguns produtos de fissão de longa vida, transmutando-os em produtos de curta duração ou até mesmo estáveis.

Transporte rodoviário de combustível nuclear gasto no Japão (Fonte da imagem: The Energy Library):

Ao contrário da crença popular, o transporte de combustível gasto não é perigoso. Notamos que nos últimos 40 anos foram registrados cerca de 3000 transportes de combustível gasto apenas nos EUA. Este combustível foi transportado por camiões e comboios ao longo de um total de cerca de 2,5 milhões de quilómetros, sem que ocorresse um único acidente. Também na Europa não ocorreram acidentes durante nenhum transporte de combustível gasto. A segurança é em grande parte garantida por pesados (~120 toneladas) casks de aço usados durante o transporte. As paredes típicas têm cerca de 50 cm de espessura – cerca de 15 vezes mais do que no caso de contentores usados para transporte de gasolina. Para cada tonelada de combustível gasto há tipicamente três vezes mais material usado para o contentor e o escudo biológico. Tais contentores são construídos para suportar um incêndio de 30 minutos e uma queda de 9 m sobre betão. São construídos para suportar até uma colisão com um avião a jato! Em cada contentor nunca há mais de 9-12 elementos de combustível gasto. Mais recentemente, a construção de casks começou a ser modificada de modo a torná-los resistentes a possíveis ataques terroristas.

Além dos resíduos nucleares produzidos por reatores nucleares e atividade militar, os resíduos nucleares são produzidos onde quer que se utilizem fontes de radiação nuclear. Provêm de hospitais (com enfermarias de medicina nuclear e radioterapia), da investigação universitária e industrial, do uso industrial de fontes (por exemplo, na indústria do papel, em minas de urânio e carvão, detetores de fumo, etc.). Ao contrário do combustível gasto, estes resíduos são inteiramente de baixa ou média atividade e maioritariamente com vidas razoavelmente curtas. Tais resíduos são geralmente compactados antes de serem finalmente armazenados em contentores especiais que impedem o vazamento de material radioativo para o ambiente.

Existem algumas alternativas possíveis ao armazenamento a longo prazo de resíduos nucleares. A transmutação é um processo de transformação, por captura de neutrões, de um isótopo radioativo de longa vida noutro que tem um tempo de meia-vida mais curto ou é possivelmente até estável. Em contraste, a incineração é um processo em que a captura de neutrões leva à formação de um isótopo que decai num elemento estável por fissão. Há um trabalho extenso sendo feito para tornar ambos os tipos de reações comercialmente eficientes. Os sistemas impulsionados por aceleradores e o conceito do chamado amplificador de energia dão-nos esperança de que os resíduos nucleares acumulados até agora, e os que serão produzidos, poderiam ser convertidos em resíduos de curta duração que são mais fáceis de armazenar.