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Reatores Nucleares Emprego Pacífico das Radiações Ionizantes A energia elétrica pode ser gerada a partir de fontes renováveis e não renováveis. As fontes renováveis são a água, o sol, o vento, o mar e a madeira, utilizados para a geração de energia hidrelétrica, eólica, das marés e geotérmica. As não renováveis são o carvão mineral, o gás natural, os derivados de petróleo e o urânio, empregados na geração térmica de energia elétrica. Das usinas que utilizam fontes renováveis, as hidrelétricas são a única opção viável técnica e economicamente para a geração de grandes blocos de energia elétrica firme. As demais, em que pese a possibilidade de seu emprego para o atendimento a pequenas demandas em regiões que possuam condições naturais adequadas, não são uma opção garantida de produção contínua de energia elétrica. A luz solar e os ventos são intermitentes, exigindo nas usinas uma capacidade extra de acumulação de energia, para que o fornecimento seja confiável. Por sua vez, a biomassa requer uma área de extensão considerável (400.000 ha para cada 1.000 MWe gerados) para o plantio de árvores. A geração de energia a partir das marés ainda não dispõe de tecnologia suficientemente desenvolvida. (Eletronuclear.gov.br) Das usinas que utilizam fontes não renováveis, boas opções , no caso do Brasil são as usinas nucleares e a gás natural, tendo em vista a existência de reservas significativas, além de comprovadas, de gás natural e de urânio. (Eletronuclear, 2004) A fonte térmica para a geração de energia elétrica nas usinas nucleares é o urânio, sendo que os reatores tanto podem utilizar nêutrons térmicos, de baixa energia cinética, quanto nêutrons rápidos, de alta energia. Os reatores nucleares térmicos (que funcionam com os nêutrons térmicos) são os mais comuns, e são classificados segundo os materiais utilizados como combustível, para a sua refrigeração e como moderador de nêutrons. Podem ser divididos em três grandes linhas conceituais: • reatores a água leve (Light-Water Reactors - LWR); • reatores a água pesada pressurizada (Pressurized Heavy-Water Reactors - PHWR); • reatores a gás (Gas-Reactors - GR). Tipos de reatores nucleares térmicos e suas subdivisões. �Reatores a água leve (Light-Water Reactors - LWR): 1- Reatores a água pressurizada (Pressurized Water Reactors - PWR) 2- Reatores a água fervente (Boiling Water Reactors - BWR) 3- Reatores a água leve e grafite (Light-Water Graphite Reactors - LWGR) �Reatores a água pesada pressurizada (Pressurized Heavy-Water Reactors - PHWR) �Reatores a gás (Gas Reactors – GR) 1- Reatores refrigerados a gás (Gas-Cooled Reactors - GCR) 2- Reatores avançados refrigerados a gás(Advanced-Gas-Cooled Reactors - AGR) 3- Reatores refrigerados a gás de alta temperatura (High-Temperature-Gas-Cooled Reactors - HTGR Fonte: Eletronuclear Para as usinas de Angra foram escolhidos reatores do tipo PWR, que utilizam urânio enriquecido e água leve como refrigerante / moderador. Segundo dados da International Atomic Energy Agency (IAEA) (Agência Internacional de Energia Atômica), das 439 usinas nucleares em operação no mundo em 2003, 80,87% utilizavam reatores resfriados e moderados a água leve comum dos tipos PWR, BWR ou VVER (versão soviética para o PWR). Os reatores PWR são utilizados em 27 países e compreendem 60,59% dos reatores instalados no mundo. Usinas nucleares em operação (de um total de 439) em 2003. Fonte: IAEA, agosto de 2004. ABWR: reator avançado a água fervente refrigerado e moderado a água leve PHWR: reator pressurizado moderado e refrigerado a água pesada PWR: reator pressurizado moderado e refrigerado a água leve BWR: reator a água fervente refrigerado e moderado a água leve VVER: reator pressurizado refrigerado e moderado a água leve (versão soviética do PWR) LWGR: reator resfriado a água leve e moderado a grafite Fonte: AIEA, agosto de 2004. A maior aceitação dos reatores do tipo PWR é atribuída à sua confiabilidade, proporcionada pelo rigor dos princípios de segurança que são aplicados ao projeto, à operação e à manutenção das usinas, e a economicidade, proporcionada pela economia de escala decorrente da construção de reatores de grande porte, pela padronização e a conseqüente redução do tempo de construção, licenciamento e por sua estrutura relativamente simples e compacta, graças à utilização de urânio enriquecido como combustível e às propriedades térmicas e neutrônicas favoráveis da água leve, usada simultaneamente como refrigerante e moderador. Quanto à segurança na geração nuclear, cabe salientar que por todo o exposto acima e tendo em vista a experiência de países tecnologicamente mais adiantados, como Estados Unidos, França, Japão e Alemanha, a adoção pelo Brasil de usinas dotadas de reatores do tipo PWR é a mais correta. Cabe salientar que o Brasil tem uma das maiores reservas de urânio do mundo ocidental: 309 mil toneladas identificadas em apenas um quarto do território brasileiro (Indústrias Nucleares do Brasil - INB, 2001). As usinas nucleares fornecem cerca de 16% da eletricidade do mundo (dados de agosto de 2008). Alguns países dependem mais da energia nuclear para obter eletricidade que outros. Na França, por exemplo, cerca de 75% da eletricidade é gerada a partir da energia nuclear, de acordo com a Agência Internacional de Energia Atômica. Nos Estados Unidos, a energia nuclear fornece 23% da eletricidade total, mas alguns Estados obtêm mais energia de usinas nucleares que outros. No Brasil, menos de 3% da energia gerada tem origem das usinas nucleares de Angra dos Reis. Há mais de 400 usinas de energia nuclear ao redor do mundo, sendo mais de 100 nos EUA.(Fonte: WNA) Uma usina de energia nuclear. Vapor não-radioativo sai das torres de resfriamento Depois de lermos a respeito da importancia da geração de energia através da energia nuclear, estudaremos agora os REATORES NUCLEARES. Introdução • A descoberta da fissão nuclear em 1939 foi um evento significativo, porque possibilitou o uso da energia interna do núcleo atômico. • No processo da fissão, além da liberação de energia (cerca de 200MeV por fissão) ocorre a emissão de cerca de dois a três nêutrons. • Estes nêutrons podem, sob condições apropriadas, ser utilizados para produzir fissão em outros núcleos e assim iniciar uma reação em cadeia que resulta na liberação de uma grande quantidade de energia. O que é um REATOR NUCLEAR? Um sistema no qual materiais físseis, fissionáveis e não fissionáveis são arranjados de tal forma que a reação em cadeia possa ocorrer de maneira controlada é chamado REATOR NUCLEAR Todos os reatores nucleares são dispositivos destinados a manter uma reação em cadeia produzindo um fluxo estacionário de nêutrons, gerados por fissões de núcleos pesados. • Os reatores nucleares podem ser classificados segundo diversos critérios, tais como, por exemplo, o espectro de energia predominante dos nêutrons que provocam as fissões (reatores térmicos ou rápidos); de acordo com o meio utilizado como refrigerante (reatores refrigerados a água leve, água pesada, a gás ou metais líquidos); ou de acordo com o propósito do reator. • Neste último caso, duas classificações podem ser adotadas: – Reatores de potência, nos quais o objetivo principal é o aproveitamento do calor gerado pelo combustível e – Reatores de pesquisa, onde o objetivo principal é o aproveitamento das partículas e radiações geradas pelas reações nucleares. Vamos rever alguns conceitos Para entendermos melhor …… O Átomo Os elementos químicos diferem por sua estrutura atômica. O átomo é a menor partícula de um elemento, assim sendo, não pode ser dividido quimicamente. O átomo é compostode elétrons, prótons e nêutrons. Os elétrons são encontrados na eletrosfera e os prótons e nêutrons – denominados nucleons – são partículas que estão localizadas no núcleo atômico. No início do século XX, havia um grande conjunto de evidências experimentais indicando que o átomo continha elétrons, e que o número de elétrons em um átomo era cerca de metade do número atômico deste átomo. A descoberta de que o núcleo atômico era um “caroço” muito pequeno de cargas positivas e neutras é devida a Ernest Rutherford, que realizou em 1911 uma experiência na qual ficou estabelecido que as cargas positivas do átomo estavam concentradas numa região muito pequena do átomo – o núcleo atômico. Estrutura do Núcleo O núcleo do átomo é constituído de partículas de carga positiva, chamadas prótons, e de partículas de, aproximadamente, mesmo tamanho mas sem carga, denominadas nêutrons. O número de elétrons em um átomo não ionizado é o mesmo número de prótons do núcleo. Átomos são , portanto, eletricamente neutros. Fonte: European Nuclear Society (largest nuclear society fot science and industry Prótons e nêutrons são mantidos juntos no núcleo pela força nuclear forte. Estrutura do Núcleo Saiba Mais � As quatro forças fundamentais da natureza. Saiba Mais � Elementos AS QUATRO FORÇAS FUNDAMENTAIS DA NATUREZA Existem 4 forças, ou interações, fundamentais na natureza. São elas a interação gravitacional, a interação eletromagnética, a interação forte e a interação fraca. A tabela abaixo mostra uma comparação entre as intensidades destas forças. força (ou interação) fundamental intensidade forte 10 eletromagnética 10-2 fraca 10-13 gravitacional 10-42 A força eletromagnética É uma das duas forças que dominam nossa vida diária (a outra é a gravidade). A força eletromagnética atua entre todas as partículas eletricamente carregadas. Ela é atrativa para partículas com cargas opostas e repulsiva para partículas com a mesma carga. A força eletromagnética mantem os elétrons [cargas negativas] nas suas órbitas, em torno do núcleo [carga positiva] do átomo. A força eletromagnética fica mais fraca quanto mais distante as partículas estão, mas seu alcance é infinito. Outra coisa que a força eletromagnética é responsável por ligação é átomos para formar moléculas. A Gravidade Atua entre todas as partículas que tem massa. Massa atrairá outra massa com uma força que se tornará mais fraca quando a distância entre elas se tornar maior. A gravidade é a responsável pela estrutura em larga escala do universo. Aqui temos a figura de uma galáxia que se mantém junta pela gravidade Apesar da gravidade parecer ser uma força muito poderosa, quando tratamos de coisas em escalas menores, como pequenas partículas, a gravidade pode ser ignorada. A Força Forte Esta força liga prótons e nêutrons juntos nos núcleos dos átomos e é uma força de curto alcance. A força forte é estritamente uma força atrativa que age entre os nucleons (prótons e nêutrons). Atrai qualquer combinação de prótons e nêutrons, ie. nêutrons podem atrair nêutrons, prótons podem atrair prótons . Esta é a força que supera a força repulsiva dentro de um átomo devido à força eletromagnética e mantém o núcleo coeso. www.hep.yorku.ca/yhep/strong.html A Força Fraca A força fraca causa o decaimento β ( conversão de um nêutron em um próton, um elétron e um antineutrino). Como a força forte, a força fraca é também de curto alcance. Em 1896, Henry Becquerel obteve os primeiros indícios da força nuclear fraca na descoberta da radioatividade. Nos anos 30 houve um grande impulso no entendimento desta força: naquele tipo particular de radioatividade descoberto por Becquerel um nêutron dentro do núcleo atômico se transforma em um próton , criando, ao mesmo tempo, um elétron e uma outra partícula conhecida como antineutrino, ambas lançadas para fora do núcleo. Esse evento, conhecido como decaimento beta não podia ser consequência de outros tipos de forças, já que a força nuclear forte mantém os prótons e nêutrons juntos no núcleo e a eletromagnética tenta separar os prótons. A força gravitacional não faz nada do gênero. Elementos • Base química que não pode ser convertida quimicamente em substâncias mais simples. Exemplos: oxigênio, alumínio, ferro, mercúrio, chumbo urânio. • Atualmente, são conhecidos 117 elementos diferentes, alguns dos quais não ocorrem na natureza e foram geradas artificialmente como o promécio e o tecnécio. • Nêutron: – Partícula elementar sem carga, com massa de repouso de 1.67492716 x 10-27 kg . – O nêutron livre é instável e decai com meia-vida de 11,5 minutos. • Próton: – Partícula elementar com uma carga elétrica elementar positiva e uma massa de repouso igual a 1.67262158 x 10-27kg, que é igual a cerca de 1836 vezes a massa do elétron. – O número de prótons no núcleo atômico é que determina o elemento químico. • Elétron: – Partícula Elementar com uma carga elétrica elementar negativa e uma massa de repouso de 9,1094 x 10-31 kg (correspondente a uma auto-energia de 511 keV). – Trata-se de 1 / 1836 da massa do próton. – Elétrons rodeiam o núcleo de carga positiva de um átomo e determinam o comportamento químico do átomo. Saiba Mais � Partículas Elementares Partículas Elementares Partículas elementares referem-se a partículas que não podem ser facilmente reconhecidas como um composto - em contraste com os núcleos dos átomos. Prótons e nêutrons são feitos de quarks. Tudo que sabemos sobre o tamanho dos quarks é que eles são muito pequenos para se medir com os aceleradores atuais e os métodos experimentais existentes. Logo, os teóricos os tratam como se fossem partículas pontuais. Modelo Padrão Quando incluímos elétrons, neutrinos, e as forças elétricas e fracas em nosso modelo, podemos descrever tudo sobre a matéria: o nucleon, os núcleos, os átomos, incluindo a química e a biologia. Esta descrição teórica abrangente da matéria é chamada de modelo padrão. A multiplicidade de tais "partículas elementares" (muitas além da listadas na tabela) é grande, mais 200 foram encontradas – isto levou à "invenção" e, finalmente, à descoberta dos quarks e, posteriormente, o modelo atual “standard” de partículas fundamentais. Este modelo padrão consiste em doze partículas e o mesmo número de antipartículas (ver figura). Os quarks tem carga elétrica 1/3 ou -2/3, onde a unidade é a carga do elétron. O quark up tem uma carga de -2/3 e o down quark 1/3 de cargas elétricas elementares para satisfazer as condições de carga elétrica. Assim, o próton é composto por dois "up-quarks" e um "quark-down“, ou seja, { [ - (-2/3 -2/3)]+ [- (1/3)]} que é igual a +1. Já o nêutron é composto por um "up" e dois "downs“, {[-[(-2/3)]+[-[(1/3)+(1/3)]]} que é igual a 0. Modelo padrão de partículas elementares Fonte: European Nuclear Society A ENERGIA NUCLEAR A energia que mantém os prótons e nêutrons juntos no núcleo é a energia nuclear, isto é, a energia de ligação dos nucleons (partículas do núcleo). Esta energia é resultante da forca forte atuando sobre os nucleons. Quando uma partícula interage com o núcleo, existe a probabilidade de ocorrer liberação de energia, sempre mantendo o princípio de conservação de energia. Energia nuclear é a energia liberada numa reação nuclear, ou seja, em processos de transformação de núcleos atômicos. As duas reaçoes nucleares onde existe maior liberação de energia são: Fissão Nuclear e Fusão nuclear Por meio da conversão de núcleo, podemos obter energia quer por fissão de núcleos pesados, como o urânio, ou fusão de núcleos leves, como o hidrogênio. Saiba Mais � FusãoNuclear Saiba Mais � Fissão Nuclear Fusão Formação de núcleos mais pesados a partir de núcleos mais leves, liberando energia – a energia de ligação. • Reações possíveis de fusão: D + T ���� 4He + n + 17.58 MeV, D + D ���� 3He + n + 3.27 MeV, D + D ���� T + p + 4.03 MeV, D + 3He ���� 4He + p + 18.35 MeV, p + 11B ���� 3 4He + 8.7 MeV. D (Deutério: 2H) ; T (Trítio: 3H) Fusão A reação de deutério e trítio é a mais fácil de realizar, entre todas as reações de fusão possíveis. Durante a fusão, dois núcleos atômicos (por exemplo, núcleos dos isótopos de hidrogênio deutério e trítio) devem estar tão juntos que se fundem, apesar do poder repulsivo das suas cargas positivas do núcleo. Dois núcleos devem colidir com alta velocidade para superar sua repulsão mútua. Para obter esta velocidade é necessário que as partículas estejam em altas temperaturas (cerca de 100 milhões de graus). Fusão Fonte : European Nuclear Society F I S S à O Energia em uma fissão nuclear é liberada quando um núcleo atômico muito pesado absorve um nêutron e se quebra em dois fragmentos mais leves. Histórico A fissão nuclear é um processo de decaimento no qual um núcleo instável se divide em dois fragmentos de massas comparáveis. A fissão foi descoberta em 1938 a partir de experiências de Otto Hahn e Fritz Strassman. Seguindo um experimento anterior feito por Fermi, eles bombardearam o urânio (Z=92) com nêutrons. A radiação não coincidia com nenhuma outra radiação proveniente de nuclídeos conhecidos. Com a colaboração de Lise Meitner, eles fizeram uma análise quimica meticulosa e chegaram à conclusão inesperada de que haviam encontrado um isótopo radioativo do bário (Z=56). Mais tarde, o criptônio radioativo (Z=36) foi também verificado. Meitner e Otto Frisch interpretaram corretamente estes resultados afirmando que os núcleos de urânio eram divididos em dois fragmentos com massas elevadas chamados de fragmentos de fissão. Dois outros nêutrons livres, geralmente, aparecem com os fragmentos de fissão. Tanto o isótopo comum 238U (99,3% na natureza) quanto o isótopo incomum 235U (0,7% na natureza) podem ser facilmente divididos mediante bombardeio com nêutrons: o 235U por meio de nêutrons lentos (térmicos), e o 238U por meio de nêutrons com uma energia mínima aproximadamente igual a 1 MeV (rápidos). Fissão Nuclear A divisão do núcleo de um átomo pesado, por exemplo, do 235U (urânio-235), em dois menores, quando atingido por um nêutron, é denominada fissão nuclear. A soma das massas destes fragmentos é menor que a massa original. Esta diferença de massa foi convertida em energia, obedecendo a conservação de energia do sistema. A energia liberada neste processo é enorme, cerca de 200 MeV, 10 milhões de vezes maior que a energia liberada quando um átomo de carbono de um combustível fóssil é queimado. É possível aproveitar a energia desse processo em uma escala grande o suficiente para ser uma maneira viável de produção de energia. Exemplos das reações de fissão nuclear n U U Ba Kr n Q+ → → + + +92235 92236 56141 3692 3* n U U Xe Sr n Q+ → → + + +92235 92236 54140 3894 2* Energia liberada nas reações de fissão nuclear é aproximadamente 200 MeV/fissão Utilização da Energia Nuclear Uma vez constatada a existência da energia nuclear, restava descobrir como utilizá-la. A forma imaginada para liberar a energia nuclear baseou-se na possibilidade de partir-se ou dividir-se o núcleo de um átomo “pesado” , isto é, com muitos prótons e nêutrons, em dois núcleos menores, através do impacto de um nêutron. A energia que mantinha juntos esses núcleos menores, antes constituindo um só núcleo maior, seria liberada, na maior parte, em forma de calor (energia térmica). Reação em Cadeia Em cada reação de fissão nuclear resultam, além dos núcleos menores, dois a três nêutrons, como conseqüência da absorção do nêutron que causou a fissão. Torna-se, então, possível que esses nêutrons atinjam outros núcleos de urânio-235, sucessivamente, liberando muito calor. Tal processo é denominado reação de fissão nuclear em cadeia ou, simplesmente, reação em cadeia. Reação em Cadeia Uma reação em cadeia refere-se ao processo no qual nêutrons liberados em uma fissão nuclear produzirão, no mínimo, uma fissão em outro núcleo. Este processo pode ser controlado (reatores nucleares) ou incontrolável (bombas nucleares) Isótopos Urânio-235 e urânio-238 são isótopos de urânio. Isótopos são átomos de um mesmo elemento químico que possuem massas diferentes. Muitos outros elementos apresentam essa característica, como, por exemplo, o Hidrogênio, que tem três isótopos: Hidrogênio, Deutério e Trítio Urânio Enriquecido - Urânio-235 e Urânio-238 A quantidade de urânio-235 na natureza é muito pequena: para cada 1.000 átomos de urânio, 7 são de urânio-235 e 993 são de urânio-238 (a quantidade dos demais isótopos é desprezível). Para ser possível a ocorrência de uma reação de fissão nuclear em cadeia, é necessário haver quantidade suficiente de urânio-235, que é fissionado por nêutrons térmicos, como já foi dito. Nos Reatores Nucleares do tipo PWR, para que seja possível manter a reação em cadeia, é necessário aumentar a proporção de átomos de urânio-235 na mistura de urânio natural. Então, neste caso, o urânio encontrado na natureza precisa ser tratado industrialmente, com o objetivo de elevar a proporção (ou concentração) de urânio-235 para urânio-238, de 0,7% para aproximadamente entre 3 e 5%. Enriquecimento do urânio O processo físico de retirada de urânio-238 do urânio natural, aumentando, em conseqüência, a concentração de urânio-235, é conhecido como Enriquecimento de Urânio. Se o grau de enriquecimento for muito alto (acima de 90%), isto é, se houver quase só urânio-235, pode ocorrer uma reação em cadeia muito rápida, de difícil controle, mesmo para uma quantidade relativamente pequena de urânio, passando a constituir-se em uma explosão: é a “bomba atômica”. Existem vários processos de enriquecimento de urânio, entre eles o da Difusão Gasosa e da Ultracentrifugação . ESQUEMA GERAL DO PROCESAMENTO DO URÂNIO O urânio é extraído da natureza Adiciona-se flúor ao metal formando o gás hexafluoreto de urânio (UF6) O 238UF6 e o 235UF6 são separados, os métodos mais comuns são a Difusão Gasosa e a Ultracentrifugação. O Urânio enriquecido é convertido em um pó de dióxido de urânio (UO2) que é prensado em pastilhas. Por se tratarem de tecnologias sofisticadas, os países que as detêm oferecem empecilhos para que outras nações tenham acesso a elas. Controle da Reação de Fissão Nuclear em Cadeia A grande aplicaA grande aplicaA grande aplicaA grande aplicaçççção do controle da ão do controle da ão do controle da ão do controle da reareareareaçççção de fissão nuclear em cadeia ão de fissão nuclear em cadeia ão de fissão nuclear em cadeia ão de fissão nuclear em cadeia éééé nos Reatores Nucleares, para geranos Reatores Nucleares, para geranos Reatores Nucleares, para geranos Reatores Nucleares, para geraçççção ão ão ão de energia elde energia elde energia elde energia eléééétricatricatricatrica.... Controle da Reação de Fissão Nuclear em Cadeia Descoberta a grande fonte de energia no núcleo dos átomos e a forma de aproveitá-la, restava saber como controlar a reação em cadeia, que normalmente não pararia, até consumir quase todo o material físsil ( que sofre fissão nuclear), no caso o urânio-235. A forma de controlar a reação em cadeia consiste na eliminação do agente causador da fissão: o nêutron. Não havendo nêutrons disponíveis, não pode haver reação de fissão em cadeia. Controle da Reação de Fissão Nuclearem Cadeia Alguns elementos químicos, como o boro, na forma de ácido bórico ou de metal, e o cádmio, em barras metálicas, têm a propriedade de absorver nêutrons, porque seus núcleos podem conter ainda um número de nêutrons superior ao existente em seu estado natural, resultando na formação de isótopos de boro e de cádmio. Num reator nuclear , o controle da reação em cadeia é feito através das Barras de Controle, que são compostas de absorvedores de nêutrons. NesteNesteNesteNeste exemploexemploexemploexemplo, , , , quandoquandoquandoquando as barras as barras as barras as barras ““““descemdescemdescemdescem”””” totalmente, a totalmente, a totalmente, a totalmente, a atividadeatividadeatividadeatividade do do do do reatorreatorreatorreator ppppáááárararara, , , , porque a reaporque a reaporque a reaporque a reaçççção em cadeia ão em cadeia ão em cadeia ão em cadeia éééé interrompidainterrompidainterrompidainterrompida.... Introduzindo as barras de controle, os nêutrons que seriam destinados a novas fissões serão absorbidos pelas barras, obtendo-se, portanto uma redução da taxa de fissões. A potência do reator diminuirá, podendo inclusive chegar a zero (SCRAM). Em geral, para o scram são usadas barras de controle independentes. O REATOR NUCLEAR De uma forma simplificada, um Reator Nuclear é um equipamento onde se processam de forma controlada reações de fissão nuclear. Um Reator Nuclear para gerar energia elétrica é, na verdade, uma Central Térmica, onde a fonte de calor é o urânio-235, em vez de óleo combustível ou de carvão. É, portanto, uma Central Térmica Nuclear. A usina nuclear (ou termonuclear) difere da Térmica Convencional basicamente quanto à fonte de calor; enquanto em uma térmica convencional queima-se óleo, carvão ou gás na caldeira, em uma Usina Nuclear usa-se o potencial energético do urânio para aquecer a água que circula no interior do reator. Central Termoelétrica – Central Termonuclear A grande vantagem de uma Central Térmica Nuclear é a enorme quantidade de energia que pode ser gerada, ou seja, a potência gerada, para pouco material usado (o urânio). O Combustível Nuclear O urânio-235, por analogia, é chamado de combustível nuclear, porque pode substituir o óleo ou o carvão, para gerar calor. Não há diferença entre a energia gerada por uma fonte convencional (hidroelétrica ou térmica) e a energia elétrica gerada por um Reator Nuclear. O ponto fundamental sobre a energia nuclear é que o conteúdo energético de um kilograma de urânio é equivalente a cerca de 2 toneladas de carvão mineral de boa qualidade ou de 12000 barris de petróleo. Isso significa que precisamos consumir muitas vezes menos combustível utilizando material nuclear em relação ao uso de carvão ou de qualquer outro combustível fóssil. Descrição de Usina Nuclear com reator tipo PWR (Pressurized Water Reactor) Conforme vimos, em uma usina nuclear, o reator é uma fonte geradora de calor cuja função é similar à da fornalha da caldeira de uma usina termoelétrica convencional, ou seja, fornecer energia térmica para a produção do vapor que aciona as turbinas. Como energia não pode ser criada, mas apenas transformada de uma modalidade para outra, nesse tipo de usina a energia nuclear inicial é transformada primeiramente em energia térmica, depois em energia mecânica e, por fim, em energia elétrica, que é a forma mais econômica de ser utilizada e transportada a longa distância. A Figura apresenta um diagrama esquemático dos circuitos primário e secundário, e do circuito da água de resfriamento de uma usina nuclear PWR típica. Fonte: NATRONTEC (1999a) O calor é liberado em um reator nuclear, quando núcleos de átomos pesados físseis, como o do urânio-235, capturam nêutrons livres em baixa velocidade, denominados nêutrons térmicos, e se transformam em núcleos instáveis que, a seguir, fissionam-se em dois fragmentos mais leves dotados de enorme energia cinética e liberam raios gama juntamente com dois ou três nêutrons livres em alta velocidade, denominados nêutrons rápidos . Processo de fissão nuclear Fonte: NATRONTEC (1999a) Esses nêutrons, depois de desacelerados ou termalizados por um meio moderador, no caso dos LWRs, a água leve, têm condições de fissionar outros núcleos de urânio-235, que emitem mais fragmentos de fissão e liberam outros dois ou três nêutrons, fazendo com que o número de fissões ocorra em uma reação em cadeia auto-sustentável. Reação em cadeia auto-sustentável Fonte: NATRONTEC (1999a) Os fragmentos ou produtos de fissão, que consistem em diversos nuclídeos radioativos ou radionuclídeos, sofrem desintegração espontânea ou decaimento radioativo por meio da emissão de nêutrons e/ou de radiação alfa, beta ou gama. O choque dos fragmentos de fissão com os núcleos dos átomos do material das pastilhas de combustível nuclear transformam a expressiva energia cinética com que são liberados em grande quantidade de energia térmica. A potência térmica, isto é, a taxa de calor liberada pelo reator, é controlada pela variação da taxa de fissões (número de fissões por segundo) que ocorrem no núcleo e que depende do número de nêutrons térmicos disponíveis para causá-las. A diminuição e o aumento de nêutrons - e, por conseguinte, da taxa de fissão - são promovidos respectivamente pela inserção e a retirada das barras de controle do interior dos elementos combustíveis imersos em água e/ou pela elevação e a redução da concentração de boro (que é um absorvedor de nêutrons) na água de refrigeração do núcleo do reator ("circuito primário"). A água de refrigeração do reator (água comum desmineralizada), devido a sua alta temperatura, é submetida à alta pressão para não se transformar em vapor, e assim manter uma taxa efetiva de transferência de calor. Essa água circula no denominado circuito primário, no núcleo do reator, removendo o calor liberado pela fissão nuclear. Trocadores de calor, denominados geradores de vapor, transferem o calor para a água de alimentação, que circula isoladamente no denominado circuito secundário, transformando-a em vapor, que é direcionado para rodar a turbina mediante a transformação da energia térmica do vapor em energia mecânica nos bocais expansores e palhetas. Fonte: NATRONTEC (1999a Para produzir energia elétrica, a turbina a vapor - um conjunto uniaxial de turbinas de alta e de baixa pressão - aciona um gerador elétrico a ela acoplado. Após a expansão nos diversos estágios da turbina, com a conseqüente redução de sua pressão e temperatura, o vapor é condensado e bombeado para o lado secundário dos geradores de vapor, de forma a realimentá-los, completando o ciclo termodinâmico, cujo rendimento térmico é da ordem de 33%, e dando continuidade ao processo de produção de vapor. Fonte: NATRONTEC (1999a Por um terceiro sistema, isolado dos demais, circula a água utilizada para a condensação do vapor de exaustão das turbinas de baixa pressão. Denominada água de circulação ou de resfriamento, essa água é captada em uma fonte fria externa que, no caso das usinas Angra1 e Angra 2 é o mar, e devolvida ao mesmo após ser usada. Fonte: NATRONTEC (1999a Uma das vantagens desse tipo de usina nuclear é que o circuito primário, que contém material radioativo, fica isolado do circuito secundário por duas barreiras, que são os feixes de tubos dos geradores de vapor e dos condensadores. A água do mar circula nos condensadores sem contato com a água do circuito secundário, que por sua vez não entra em contato com a água de refrigeração do reator, do circuito primário. Isso impede que a água do mar seja contaminada pela água do circuito primário no caso de vazamento nos tubos dos geradores de vapor. Uma usina nuclear PWR é dotada ainda de diversossistemas auxiliares, que complementam o sistema de refrigeração do reator; de sistemas de segurança, destinados a resfriar o núcleo do reator e limitar as doses de radiação em caso de anormalidades; e de sistemas de alimentação elétrica de emergência, dotados de geradores Diesel, destinados a suprir os sistemas de proteção e de segurança em casos de blecautes por quedas na alimentação elétrica da usina, pelo gerador elétrico, ou na rede externa, proveniente das linhas de transmissão. Reator Nuclear e Bomba Atômica A bomba (“atômica”) é feita para ser possível explodir, ou seja, a reação em cadeia deve ser rápida e a quantidade de urânio muito concentrado em urânio-235 (quer dizer, urânio enriquecido acima de 90%) deve ser suficiente para a ocorrência rápida da reação. Além disso, toda a massa de urânio deve ficar junta, caso contrário não ocorrerá a reação em cadeia de forma explosiva. Um Reator Nuclear, para gerar energia elétrica, é construído de forma a ser impossível explodir como uma bomba atômica. Primeiro, porque a concentração de urânio-235 é muito baixa não permitindo que a reação em cadeia se processe com rapidez suficiente para se transformar em explosão. Segundo, porque dentro do Reator Nuclear existem materiais absorvedores de nêutrons, que controlam e até acabam com a reação em cadeia, como, por exemplo, na “parada” do Reator. A Segurança de Reatores Nucleares Filosofia de Segurança O perigo potencial na operação dos Reatores Nucleares é representado pela alta radioatividade dos produtos da fissão do urânio e sua liberação para o meio ambiente. Por esse motivo, a construção de uma Usina Nuclear envolve vários aspectos de segurança. A filosofia de segurança dos Reatores Nucleares é dirigida no sentido de que as Usinas Nucleares sejam projetadas, construídas e operadas com os mais elevados padrões de qualidade e que tenham condições de alta confiabilidade. A segurança dos reatores nucleares Os elementos resultantes da fissão nuclear (produtos de fissão ou fragmentos de fissão) são radioativos, isto é, emitem radiações e, por isso, devem ficar retidos no interior do Reator. Em um reator nuclear , dentre outros aspectos de segurança, existem as barreiras que servem para impedir a liberação de material radioativo para o meio ambiente. Estas barreiras físicas constituem um Sistema passivo de segurança, isto é, atuam independentemente de qualquer ação. Mostraremos estas barreiras a seguir . Varetas de Combustível As varetas, contendo o urânio, conhecidas como Varetas de Combustível, são montadas em feixes, numa estrutura denominada ELEMENTO COMBUSTÍVEL. As varetas são fechadas, com o objetivo de não deixar escapar o material nelas contido (o urânio e os elementos resultantes da fissão) e podem suportar altas temperaturas. Os elementos resultantes da fissão nuclear (produtos de fissão ou fragmentos da fissão) são radioativos, isto é, emitem radiações e, por isso, devem ficar retidos no interior do Reator. A Vareta de Combustível é a primeira barreira que serve para impedir a saída de material radioativo para o meio ambiente. Elemento combustível. Fonte: NATRONTEC (1999a) Circuito Primário O Vaso de Pressão contém a água de refrigeração do núcleo do reator. Essa água fica circulando quente pelo Gerador de Vapor, em circuito, isto é, não sai desse sistema, chamado de Circuito Primário. Vaso de Pressão Os Elementos Combustíveis são colocados dentro deste grande vaso de aço, com“paredes”, no caso de Angra 1, de cerca de 33 cm e, no caso de Angra 2, de 23,5 cm. Esse enorme recipiente, denominado Vaso de Pressão do Reator, é montado sobre uma estrutura de concreto, com cerca de 5 m de espessura na base. O Vaso de Pressão do Reator é a segunda barreira física que serve para impedir a saída de material radioativo para o meio ambiente. A água que circula no Circuito Primário é usada para aquecer uma outra corrente de água, que passa pelo Gerador de Vapor. Circuito Secundário A outra corrente de água, que passa pelo Gerador de Vapor para ser aquecida e transformada em vapor, passa também pela turbina, em forma de vapor, acionando-a. É, a seguir, condensada e bombeada de volta para o Gerador de Vapor, constituindo um outro Sistema de Refrigeração, independente do primeiro. O sistema de geração de vapor é chamado de Circuito Secundário. Independência entre os sistemas de refrigeração A independência entre o Circuito Primário e o Circuito Secundário tem o objetivo de evitar que, danificando-se uma ou mais varetas, o material radioativo (urânio e produtos de fissão) passe para o Circuito Secundário. É interessante mencionar que a própria água do Circuito Primário é radioativa. A Contenção O Vaso de Pressão do Reator e o Gerador de Vapor são instalados em uma grande “carcaça” de aço, com 3,8 cm de espessura em Angra 1. Esse envoltório, construído para manter contidos os gases ou vapores possíveis de serem liberados durante a operação do Reator, é denominado Contenção. A Contenção é a terceira barreira que serve para impedir a saída de material radioativo para o meio ambiente. Edifício do Reator Um último envoltório, de concreto, revestindo a Contenção, é o próprio Edifício do Reator. Tem cerca de 1 m de espessura em Angra 1. O Edifício do Reator, construído em concreto e envolvendo a Contenção de aço, é a quarta barreira física que serve para impedir a saída de material radioativo para o meio ambiente e, além disso, protege contra impactos externos (queda de aviões e explosões). A usinas nucleares brasileiras Divulgação: Eletronuclear As usinas nucleares de Angra dos Reis Vista Aérea da Praia de Itaorna-Usinas Nucleares Angra 1 e Angra 2 Reatores nucleares de potência, isto é, para geração de energia elétrica. Atualmente estão em operação as usinas Angra 1- com capacidade para geração de 657 megawatts elétricos, e Angra 2 - de 1350 megawatts elétricos. Angra 3, que será praticamente uma réplica de Angra 2 (incorporando os avanços tecnológicos ocorridos desde a construção desta usina), está prevista para gerar 1405 megawatts elétricos. Os reatores nucleares brasileiros estão localizados na Central Nuclear Almirante Álvaro Alberto (CNAAA). Esta central está instalada num dos pontos mais bonitos do litoral do país, na praia de Itaorna. Um dos fatores determinantes para escolha do local foi a proximidade quase eqüidistante de três grandes centros consumidores brasileiros: Rio de Janeiro, São Paulo e Belo Horizonte, evitando perdas de energia em longas linhas de transmissão. Outro fator importante foi a proximidade do mar. Embora o urânio seja o combustível, é a água que movimenta e refrigera uma usina nuclear. Por isso ela precisa ser construída próxima a um rio ou mar, onde exista água em abundância ANGRA 1 A primeira usina nuclear brasileira opera com um reator do tipo PWR (água pressurizada), que é o mais utilizado no mundo. Desde 1985, quando entrou em operação comercial, Angra 1 gera energia suficiente para suprir uma capital como Vitória ou Florianópolis, com 1 milhão de habitantes. ANGRA 2 Fruto de um acordo nuclear Brasil-Alemanha, a construção e a operação de Angra 2 ocorreram conjuntamente à transferência de tecnologia para o país, o que levou também o Brasil a um desenvolvimento tecnológico próprio, do qual resultou o domínio sobre praticamente todas as etapas de fabricação do combustível nuclear. Desse modo, a Eletrobras , Eletronuclear e a indústria nuclear nacional reúnem, hoje, profissionais qualificados e sintonizados com o estado da arte do setor. Angra 2, sozinha, poderia atender ao consumo de uma região metropolitana do tamanhode Curitiba, com dois milhões de habitantes. Como tem o maior gerador elétrico do hemisfério Sul, Angra 2 contribui decisivamente com sua energia para que os reservatórios de água que abastecem as hidrelétricas sejam mantidos em níveis que não comprometam o fornecimento de eletricidade da região economicamente mais importante do país, o Sudeste. Angra 2 opera com um reator tipo PWR (Pressurizer Water Reactor, i.e., reator a água pressurizada). Angra 3 Paralisada em 1986, a construção da usina nuclear Angra 3 começa a ser retomada depois da aprovação prévia do licenciamento ambiental que aconteceu em julho de 2008. Angra 3 será a terceira usina da Central Nuclear Almirante Álvaro Alberto, localizado na praia de Itaorna, município de Angra dos Reis (RJ). www.eletronuclear.gov.br A esfera de contenção envolve completamente o reator, o sistema de geração de vapor, a piscina dos elementos combustíveis usados e o depósito dos elementos combustíveis novos, bem como a blindagem biológica de concreto, de 1,2 a 2 m de espessura, que circunda o vaso de pressão do reator Estruturas internas à esfera de contenção. A estrutura de cor vermelha representa o vaso de pressão do reator. Angra 3 Fonte: NATRONTEC (1999a) Reatores nucleares de pesquisa, isto é, para geração de NÊUTRONS. Reatores nucleares de pesquisa têm um papel fundamental dentro da ciência e tecnologia nuclear. Desde que os primeiros protótipos foram desenhados e colocados em operação na década de 1940, o número de reatores de pesquisa tem aumentado rapidamente como resultado do desenvolvimento da indústria nuclear em geral e de programas nucleares em particular. Neste sentido, os reatores nucleares de pesquisa continuarão a ser um componente chave para o desenvolvimento de aplicações pacíficas da energia atômica e essenciais para a ciência nuclear relacionada ao desenvolvimento de recursos humanos através da educação e treinamento (IAEA, 2006). Reatores de pesquisa Os reatores de pesquisa compreendem uma grande variedade de tipos. Em geral, o propósito de reatores nucleares de pesquisa não é geração de energia. Eles são usualmente destinados à geração de nêutrons para diferentes propósitos científicos e sociais, dentre eles a produção de radioisótopos utilizados em medicina nuclear, agricultura e indústria, produção de feixe de nêutrons, ativação neutrônica, desenvolvimento de materiais, radiografia de nêutrons (neutrongrafia), análise de ativação neutrônica e treinamento. Estes reatores de pesquisa são muito menores do que os reatores de potência, e muitos estão em campus universitários. Os reatores de pesquisa são mais simples do que os reatores de potência e operam em temperaturas mais baixas. Reatores Nucleares de pesquisa no Brasil Atualmente, no Brasil, existem 4 reatores de pesquisa em operação: Prédio do Reator Piscina do Reator IEA-R1 1- Nome do Reator: IEA-R1 Instituição: Instituto de Energia Atômica (IEA) atualmente Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN) Local : São Paulo Primeira Criticalidade: 16 de setembro de 1957 Grande número de programas de pesquisa básica e aplicada e desenvolvimento tecnológico nos campos de Física Nuclear, Radioquímica, Biologia, Ciências de materiais, Engenharia Nuclear, Meio Ambiente entre outros vem sendo realizados no IPEN há várias décadas utilizando o Reator Nuclear de Pesquisa IEA-R1 como fonte de nêutrons e raios gama. Além dos pesquisadores do Centro do Reator de Pesquisa (CRPq) e pesquisadores dos outros Centros do IPEN dezenas de pesquisadores pertencentes a outros institutos de pesquisa e universidades do país também utilizam esta instalação e a infra-estrutura associada para suas atividades de pesquisa. A utilização do reator do IPEN, para fins de pesquisa, durante todos estes anos tem resultado na formação de algumas centenas de mestres e doutores não só no IPEN, mas também em outras instituições de pesquisa e ensino do Brasil, além de publicação de um expressivo número de trabalhos científicos. As atividades de pesquisa e ensino utilizando o reator nuclear continuam muito fortes e vem atraindo interesse de novos estudantes em pesquisa nas áreas nucleares O IEA-R1 (Instituto de Energia Atômica – Reator 1) é um reator de pesquisa do tipo piscina. Foi projetado e construído pela empresa norte-americana Babcock & Wilcox, em 1956. Utiliza como combustível o urânio enriquecido a 20%. Iniciou sua atividade em 1957, operando na potência de 2 MW. Devido ao aumento na demanda de radioisótopos para a medicina, indústria e agricultura, bem como para readequação aos novos requisitos de segurança, a Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN) e o Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN), iniciaram, em meados de 1995, o projeto de modernização do reator, incluindo o aumento da sua potência para 5 MW. O IEA-R1 está situado no Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares – IPEN (Autarquia estadual, associada à Universidade de São Paulo – USP, gerenciada pela CNEN), em São Paulo, SP. 2- Nome do Reator TRIGA IPR-R1 Instituição: Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear (CDTN) Local : Belo Horizonte-MG Primeira Criticalidade: 06 de novembro de 1960 Vista do núcleo do reator TRIGA IPR-R1 O reator TRIGA IPR- R1 (TRIGA - Training, Research, Isotopes, General Atomics – Instituto de Pesquisas Radioativas – Reator 1) é um reator TRIGA Mark I, fabricado e construído pela Gulf General Atomic (EUA). É um reator inerentemente seguro, utilizando como combustível urânio enriquecido a 20%, homogeneamente misturado com o moderador principal, o hidreto de zircônio. As características de segurança do combustível permitem também grande flexibilidade na escolha do local de instalação do reator, com riscos e efeitos mínimos ao público e ao meio ambiente e, em princípio, não existem restrições à instalação de reatores TRIGA em centros urbanos. Possui dispositivos para irradiação: tubo central, mesa giratória e sistema pneumático. O reator TRIGA IPR-R1 está localizado no Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear (CDTN), em Belo Horizonte, Minas Gerais, instituto de pesquisa vinculado à Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN). Entre as aplicações do TRIGA, destacam-se a produção de radioisótopos para instituições científicas e universidades, experimentos científicos, treinamento de engenheiros e físicos nucleares para operação de reatores nucleares de pesquisa e de potência. O reator TRIGA IPR-R1 teve sua primeira criticalidade em 06/11/1960, com uma potência máxima de 30 kW. O núcleo do reator, atualmente, está configurado para operar a uma potência de 250 kW, mas tem operado a uma potência de 100 kW e aguarda licença da Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN) para operar em 250 kW. 3- Nome do Reator : Argonauta Instituição: Instituto de Engenharia Nuclear (IEN) Local : Rio de Janeiro-RJ Primeira Criticalidade: 20 de fevereiro de 1965 Reator Argonauta O ARGONAUTA foi o primeiro reator de pesquisa construído no país por empresa brasileira (CBV Ltda) com projeto do Argone National Laboratory, com potencia máxima de 5kW e uma operação contínua de 500W. Desde 1965 o ARGONAUTA vem sendo utilizado em pesquisas envolvendo nêutrons nas áreas da física de reatores e nuclear. Cerca de 70 alunos de instituições e universidades brasileiras obtiveram seus títulos de mestre ou doutor utilizando este reator no desenvolvimento de suas pesquisas. Atualmente, entre as principais linhas de pesquisas estão ensaios não destrutivos com nêutrons térmicos nas áreas de biologia, indústria, meio ambiente e segurança pública nacional. Também são produzidos radioisótopos ( Mn-56, La-140, Se-75 e Br-82) para serem utilizados como traçadores em pesquisas nas áreas domeio ambiente e industrial. Colaborando com universidades e instituições, disciplinas e aulas diversas são ministradas em suas dependências completando a formação de alunos, da graduação ao doutorado. 4- Nome do Reator : IPEN/MB-01 Instituição: Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN) Local : São Paulo-SP Primeira Criticalidade: 9 de Novembro de 1988 Prédio do Reator Em operação desde 09/11/1988, com potência de 0,20 kW, operando no IPEN-CNEN – São Paulo, SP. É um reator nuclear genuinamente brasileiro, concebido por pesquisadores e engenheiros do IPEN- CNEN/SP, financiado e construído pela Marinha do Brasil. O Reator IPEN/MB-01 é uma instalação nuclear que permite a simulação de todas as características nucleares de um reator de grande porte em escala reduzida, sem que haja a necessidade de construir- se um complexo sistema de remoção de calor. Esse tipo de reator é conhecido mundialmente como reator de potência zero ou Unidade Crítica, sendo neste caso, projetado para operar a uma potência máxima de 100 watts. Esses reatores representam uma ferramenta básica, que permitem aos pesquisadores estudar não apenas por cálculos teóricos, mas também com medidas experimentais, o desempenho e as características do núcleo de um reator de potência ou de propulsão naval, antes da sua efetiva instalação, simulando as condições de projeto na própria instalação. Núcleo do reator IPEN MB 01 O núcleo do Reator Nuclear IPEN/MB-01 possibilita a montagem de diferentes arranjos críticos, ou seja configurações de núcleos, uma vez que foi projetado para que apresentasse a versatilidade e a flexibilidade necessárias para tais finalidades FIM
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