Certamente já ouviu falar de bombas nucleares (ou atômicas) — um exemplo do uso militar de energia nuclear. Uma bomba nuclear é um dispositivo que envolve uma reação em cadeia descontrolada de material físsil. Este processo é extremamente rápido, de modo que a energia se acumula e a temperatura se torna extremamente alta, atingindo dezenas de milhões de graus.

Little Boy (Fonte da imagem: US National Archives, RG 77-AEC, desclassificado em 1960).

A pressão dentro do material físsil a tal temperatura torna-se enorme e o dispositivo explode. Para que isso aconteça, a bomba deve conter uma massa crítica (mesmo supercrítica) de material físsil. No entanto, isso não significa que todo o material se divide. A explosão acontece antes que todos os núcleos de ²³⁵U tenham a oportunidade de sofrer fissão — na bomba lançada sobre Hiroshima, por exemplo, apenas cerca de 2% dos núcleos de urânio sofreram fissão. Isso ainda foi suficiente para produzir uma destruição enorme.

O poder letal de tais bombas levanta importantes questões éticas relativas à pesquisa e desenvolvimento de tais armas.

A possibilidade de terroristas adquirirem e usarem armas nucleares é um desafio urgente e potencialmente catastrófico para a segurança global. Em abril de 2010, a Cimeira de Segurança Nuclear em Washington, D.C., focou-se na ameaça do terrorismo nuclear e os participantes fizeram acordos concretos, tais como aumentar a segurança dos materiais nucleares e reduzir a disponibilidade de plutônio e urânio altamente enriquecido.

A energia nuclear pode ser utilizada em dispositivos muito pequenos como baterias. Na exploração dos planetas e do espaço é necessário ter baterias duradouras e eficientes (na verdade, os chamados marcapassos utilizados por pessoas com doenças cardíacas graves também são alimentados por tais baterias). Fontes de energia radioativa têm sido utilizadas para este fim desde 1961.

Existem dois tipos de tais fontes de energia:

1) geradores de energia radioisotópicos termiônicos nos quais o calor nuclear é usado para criar uma diferença de potencial elétrico entre dois eletrodos metálicos, e

2) RTG — geradores termoelétricos de radioisótopos nos quais o calor de decaimento de, por exemplo, ²³⁸Pu (0,56 W/g) é usado para aquecer uma junção semicondutora do tipo p-n (termopar)

As sondas espaciais Voyager, a missão Galileo para Júpiter e a missão Cassini para Saturno são todas alimentadas por RTGs. Os rovers marcianos Spirit e Opportunity usaram painéis solares para eletricidade e RTGs para calor. O rover marciano Curiosity usa RTGs para calor e eletricidade, pois os painéis solares sozinhos não seriam capazes de fornecer eletricidade suficiente.

Pequenos reatores nucleares que usam conversores termoelétricos ou termiônicos foram construídos e estão sendo desenvolvidos para várias aplicações em naves espaciais, por exemplo em sua propulsão.

O uso de combustível nuclear em um reator nuclear resulta em uma produção de energia cerca de 100 milhões (10⁸) vezes maior do que a resultante do uso de uma quantidade equivalente de reagentes químicos!

Dois sistemas de propulsão empregando reatores nucleares foram desenvolvidos até agora. O primeiro, o chamado sistema de propulsão termonuclear (abreviado NTR para Nuclear Thermal Rockets), consiste em aquecer propelente de hidrogênio armazenado a baixas temperaturas em forma líquida. O gás hidrogênio a cerca de 2500 °C é então expelido através de um bocal para dar impulso. O segundo sistema, a propulsão nuclear-elétrica (NEP), consiste em converter energia nuclear em elétrica e depois usar essa energia elétrica para alimentar um dispositivo eletromagnético apropriado que acelera íons a velocidades muito altas. Os íons acelerados, passando por um neutralizador no bocal, produzem um jato de átomos neutros que deixa o motor e produz o impulso. Este tipo de propulsão foi usado em numerosas missões orbitais, principalmente soviéticas. Certamente, particularmente em missões de longo prazo, a propulsão nuclear é vantajosa em relação à propulsão química.

O uso de energia nuclear em submarinos e aeronaves foi considerado quase desde o início da história dos reatores nucleares. O perigo associado ao uso de reatores nucleares em aviões não permitiu o desenvolvimento real da ideia em aviões civis nem militares, embora a ideia tenha sido desenvolvida, usada e ainda esteja em desenvolvimento na propulsão de naves espaciais. No entanto, a propulsão nuclear é usada com muito sucesso em navios militares e civis modernos.

O primeiro submarino americano com propulsão nuclear "Nautilus", cuja construção começou ainda em 1946 e foi lançado ao mar em 1954, foi o primeiro a cruzar o Polo Norte sob a calota ártica em 23 de julho de 1958. O quebra-gelo com propulsão nuclear "Arktika" da antiga União Soviética foi o primeiro navio de superfície a atingir o Polo Norte em 17 de agosto de 1977. Os EUA também construíram porta-aviões. O primeiro, o USS Enterprise, foi lançado em 1960. O primeiro cargueiro, NS Savannah, foi lançado nos EUA em 1959. O Japão lançou o navio mercante Mutsu em 1962.

Os reatores usados em aplicações navais são do tipo PWR. Todos os submarinos russos e todos os navios de superfície são alimentados por dois reatores. Portanto, é importante que esses reatores sejam o mais compactos possível. Inicialmente, isso foi alcançado usando combustível nuclear altamente enriquecido: concentrações de ²³⁵U de 90%. Ultimamente, no entanto, enriquecimentos de cerca de 20-25% nos núcleos de reatores americanos e de cerca de 50% nos russos são mais comuns.

À primeira vista, pareceria natural desejar alimentar automóveis com energia nuclear. Em particular, o motor poderia funcionar por muitos anos sem a necessidade de substituir os elementos de combustível. No entanto, a fonte de energia — um pequeno reator nuclear na prática — produziria nêutrons que são radiações ionizantes altamente penetrantes. Essa radiação seria prejudicial para todos no carro e até mesmo para pedestres ao redor. Para não expor o motorista e os passageiros à radiação de nêutrons, o escudo biológico do núcleo teria que ser muito volumoso e muito pesado — algo que não combina muito bem com nossa ideia atual de um carro de passageiros útil.

No entanto, mesmo que se conseguisse construir um carro seguro usando por ex. conversores termoelétricos eficientes, ainda haveria o problema de controlar os materiais radioativos.

O Ford Nucleon era um modelo em escala de carro-conceito desenvolvido pela Ford Motor Company em 1958 como uma ideia de como poderia ser um carro a propulsão nuclear. O design não incluía um motor de combustão interna; em vez disso, o veículo seria alimentado por um pequeno reator nuclear na parte traseira do veículo, baseado na suposição de que isso seria um dia possível com base na redução de tamanhos. O carro usaria um motor a vapor alimentado pela fissão de urânio, de forma semelhante ao funcionamento dos submarinos nucleares.

O hidrogênio desempenha um papel crescente na química, na agricultura (produção de fertilizantes de nitrogênio), na indústria petrolífera e como fonte potencial de energia, ou seja, como combustível. Esperaria-se que entre as várias aplicações possíveis do hidrogênio, seu uso em células de combustível se tornasse o mais popular. À luz do crescente interesse pelo hidrogênio, há estimativas de que a energia necessária para sua produção possa em breve ser tão grande quanto a produção atual de energia elétrica.

Portanto, há muito interesse em fontes de energia eficientes que possam produzir hidrogênio, e aqui o uso de reatores nucleares poderia ser de vital ajuda. Os reatores podem produzir energia elétrica para realizar a eletrólise da água. A energia térmica nuclear também pode ser usada para a produção de hidrogênio a partir de gás natural e, em processos termoquímicos, a partir de água. Em contraste com o processo químico no qual o vapor reforma o gás natural, as reações termoquímicas têm a vantagem de que o dióxido de carbono não é produzido. Como em ambos os casos são necessárias temperaturas relativamente altas (1000-1300 K), é provável que reatores de alta temperatura sejam usados para este propósito. Enquanto trabalham como centrais nucleares comuns e fornecem eletricidade à rede durante o dia, tais reatores poderiam produzir hidrogênio durante a noite, preparando a entrega de hidrogênio para o dia seguinte.

A energia nuclear já é usada para a dessalinização da água — um problema de extrema importância para grande parte do mundo que sofre de falta de água potável, um problema particularmente grave na Ásia e no Norte de África. Tais reatores podem ainda produzir eletricidade, ou seja, funcionar como pequenas centrais nucleares. Um exemplo de um reator nuclear que produz tanto eletricidade como água dessalinizada é o reator rápido BN-350 em Aktau, no Cazaquistão. Japão, Rússia e Canadá têm todos experiência com reatores nucleares empregados na dessalinização da água e a Agência Internacional de Energia Atômica (AIEA) promove fortemente esse uso da energia nuclear. A ideia é usar as centrais nucleares para produzir eletricidade para a rede durante os períodos de maior demanda e, quando a demanda cair, usar parte da eletricidade produzida para fins de dessalinização. Projetos estão sendo desenvolvidos na Índia, China, Rússia, Paquistão, Tunísia, Marrocos, Egito, Argélia, Irã, Coreia do Sul, Indonésia e Argentina.

Os nêutrons são partículas de grande interesse científico. Podem não ter carga, mas atuam como pequenos ímãs: dizemos que possuem um momento magnético. Os nêutrons livres decaem em um próton, um elétron e um antineutrino com uma meia-vida de 10,25 minutos, portanto os nêutrons produzidos no Sol não têm chance de atingir nosso planeta. Embora supostamente não tenham carga elétrica, os físicos ainda estão à procura de uma pequena carga; seria manchete de jornal se tal carga fosse encontrada. Até agora provamos que a carga deve ser inferior a 10^-21 cargas elementares! Mas sabemos que há cargas positivas e negativas dentro de um nêutron e isso nos faz perguntar se elas formam um chamado dipolo elétrico com as cargas positivas e negativas separadas por uma pequena distância. Até agora foi provado experimentalmente que tal separação deve ser menor que 10^-26 cm, atestando a precisão dos experimentos atuais.

Para realizar tais estudos é necessário ter muitos nêutrons e os Reatores Nucleares são extremamente úteis pois são gigantescas fábricas de nêutrons. Os reatores projetados para produzir nêutrons para experimentos são chamados de reatores de pesquisa. Existem inúmeras aplicações de reatores de pesquisa na ciência, medicina e tecnologia.

TRIGA Reator de Pesquisa na AERE, em Bangladesh (Créditos da imagem: AIEA).

As fontes de nêutrons mais populares para pesquisa são os reatores em estado estacionário que produzem nêutrons continuamente. Na maioria deles o núcleo do reator está imerso em uma piscina de água. A água faz parte do sistema de refrigeração, atua como escudo biológico e também faz parte do moderador de nêutrons. Todas as centrais nucleares usam reatores em estado estacionário.

Existem também fontes pulsadas de nêutrons que produzem rajadas periódicas de nêutrons. Algumas delas usam uma reação de spallation em vez de fissão.

Um processo que hoje requer grande habilidade ocorreu espontaneamente na natureza há cerca de dois bilhões de anos. Na mina de urânio Oklo no Gabão, África Ocidental, uma descoberta sensacional foi feita em junho de 1972. Descobriu-se que o teor de ²³⁵U no minério de urânio era substancialmente menor do que 0,72% encontrado em todo o resto. Como poderia ser?

Uma vez que o ²³⁵U tem uma meia-vida mais curta do que o ²³⁸U, a abundância relativa de ²³⁵U no Urânio 2 bilhões de anos atrás deve ter sido no nível de 3-4% em vez dos típicos 0,72%. Mas um enriquecimento de 3-4% de urânio em ²³⁵U é bastante típico para os reatores de potência atuais. As condições hidrogeológicas ao redor do minério de urânio enriquecido eram favoráveis para uma reação em cadeia. A água é um bom moderador de nêutrons e pode servir também como refletor. O "reator" era capaz de funcionar quando havia água presente. Quando a água evaporava, o reator parava, até que novamente água fresca estivesse disponível nas proximidades do minério de urânio. O minério tornava-se constantemente mais pobre em ²³⁵U, de modo que o que foi descoberto em 1972 era ²³⁵U que havia sido empobrecido por este "reator" natural de fissão.

Estima-se que esses reatores naturais (17 reatores fósseis foram descobertos em Oklo até agora) operaram por cerca de 1 milhão de anos. Os estudos mostraram que os reatores de Oklo também produziram ²³⁹Pu que decaiu (por decaimento alfa) em ²³⁵U, portanto eram reatores reprodutores naturais! Oklo foi um presente para a humanidade, pois estudos sobre como os fragmentos de fissão de longa duração de Oklo se difundem pelo solo nos permitem estimar a eficácia dos repositórios subterrâneos para resíduos nucleares atualmente sendo construídos.