GTD_Aula_007_Usina_Termonuclear

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Geração, Transmissão e Distribuição 
de Energia Elétrica 
 
EELET.10N1 
Aula 07 
 
Prof. Edgard Pereira Cardoso 
2/2014 
Centro Universitário Newton de Paiva 
Instituto de Ciências Exatas 
Escola de Engenharia Elétrica 
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 Usina Termonuclear 
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 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Usina Termonuclear 
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• Uma usina nuclear é composta basicamente dos 
mesmos componentes de uma usina térmica 
convencional: 
 Gerador síncrono 
 Turbina a Vapor 
 Condensador; 
 Trocador de calor 
 Sistema de Refrigeração; 
 Reator nuclear 
Usina Termonuclear 
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• As usinas nucleares são normalmente operadas como 
usinas de base. 
• A eficiência total de uma usina nuclear é também 
semelhante à de uma usina térmica, cerca de 30 a 
40%. 
• É indispensável um sistema de resfriamento, 
consequentemente, as usinas nucleares são 
construídas próximas a rios, lagos ou mar. 
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Usina Termonuclear 
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Usina Termonuclear 
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Usina nuclear de Hamaoka - Japão 
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Núcleo Atômico - Urânio: 
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• O urânio é encontrado em minas de urânio na forma 
de minério cuja composição é U3O8 na proporção de 
1 parte de U3O8 para 1000 partes de rejeitos : 
• Para utilizá-los na reação nuclear, o U3O8 é 
processado em dióxido de urânio - UO2. O UO2 
contém 235UO2 e 238UO2 nas proporções de 
10/1398: 
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Núcleo Atômico - Urânio: 
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• Após a extração, o urânio é processado (concentrado 
de U3O8) e transformado em "yellow cake", um pó 
amarelo mais fácil de ser transportado. 
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Núcleo Atômico - Urânio: 
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• O Brasil possui a 6ª maior reserva mundial de 
urânio, com reservas nos estados da Bahia 
(Caetité), Ceará (Santa Quitéria), Paraná e Minas 
Gerais: 
• Viabilidade Econômica está condicionada à 
produção de ácido fosfórico, que é insumo na 
produção de fertilizantes: 
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Enriquecimento do Urânio 
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• Dentre os diversos métodos de enriquecimento 
de urânio (separação isotópica do U235 em razão 
maior do que 0,7%, que aquela que se encontra 
na Natureza), somente dois processos revelam-se 
atraentes para produção em escala industrial: a 
difusão gasosa e a ultracentrifugação. 
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Enriquecimento do Urânio 
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Comprime-se o gás hexa-fluoreto de urânio (UF6) 
através de membranas micro porosas, 
associadas em série, de forma a separar o U238 
do U235, sendo este último mais interessante 
para a fissão com nêutrons; 
• Difusão Gasosa: 
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Enriquecimento do Urânio 
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• Ultracentrifugação: 
A separação é feita pela força centrífuga agindo nas 
partículas de UF6, concentrando-se o U238 em uma região 
mais externa do que o U235, por ser o primeiro é mais 
pesado em relação ao segundo (cerca de 1%). Daí aparecer o 
termo “ultra” centrifugação (operar em velocidades 
tangenciais muito altas), para separar dois elementos cujas 
massas são muito próximas. Dentre as atividades do ciclo do 
combustível, o enriquecimento de urânio é a que reúne a 
maior complexidade tecnológica 
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Energia Liberada : Fissão Atômica 
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• Quando o núcleo pesado de um átomo 
divide-se em dois, processo este 
denominado de fissão nuclear, a soma das 
massas dos núcleos resultantes da fissão é, 
em geral, menor do que a massa do núcleo 
original; 
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Energia Liberada : Fissão Atômica 
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• Durante o processo de fissão ocorre a perda de 
massa e uma considerável quantidade de 
energia é liberada de acordo com a famosa 
equação de Einstein: 
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Energia Liberada : Fissão Atômica 
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• A equação de Einstein, demostra que existe uma 
equivalência entre massa “m” e energia “E” dada 
pela constante de proporcionalidade “c” que 
representa a velocidade da luz: 
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Energia Liberada : E = mc2 
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• De acordo com a equação de Einstein, a perda 
de apenas 1g produz 9x1010 J, a qual é 
equivalente ao calor liberado pela queima de 
3 milhões de toneladas de carvão 
• Uma usina a carvão de 480MW consome cerca 
de 3.456 tonelada/dia de carvão; 
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Energia Liberada : E = mc2 
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• Assim, 1g de massa nuclear convertida em 
energia equivaleria ao carvão consumido em 868 
dias ou 2,38 anos pela usina de 480MW; 
• Um combustível nuclear contendo 3,1% de 
urânio físsil (U235) produz, aproximadamente, 
80.000 vezes a energia produzida pela mesma 
quantidade de carvão mineral; 
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Cadeia de Reação Nuclear 
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• Segundo o IAEA ‘Sustainable Development & 
Nuclear Power’ (1997), 1kg de carvão produz 
3kWh; 1kg de petróleo produz 4kWh; 1kg de 
urânio produz 50.000 kWh; 
• Numa reação química, como a combustão do 
carvão, o núcleo dos elementos não é alterado, 
ocorre apenas um rearranjo dos átomos. 
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Cadeia de Reação Nuclear 
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• Na reação nuclear o processo de fissão é 
controlado tal que a energia é liberada contínua 
e permanentemente; 
• Em um reator nuclear a reação é controlada tal 
que a energia é liberada numa taxa constante e 
de maneira ordenada. 
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Cadeia de Reação Nuclear 
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• A velocidade dos nêutrons pode ser 
diminuída através de colisões com uma 
variedade de elementos leves chamados de 
moderadores, os quais desaceleram os 
nêutrons sem absorvê-los (Água leve, Água 
pesada, Grafite, Hidrogênio, Oxigênio , Ligas 
especiais, etc. 
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Cadeia de Reação Nuclear 
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• Cadeia de reação é iniciada, a temperatura 
aumenta rapidamente. Para mantê-la a um 
nível aceitável, um líquido ou gás deve fluir 
rapidamente através do reator para 
transportar o calor.(Água leve, Água pesada, 
Sódio líquido, Gás (hélio ou dióxido de 
carbono). 
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Cadeia de Reação Nuclear 
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• O refrigerante quente circula em um 
circuito fechado passando por um trocador 
de calor onde transfere o calor para um 
gerador de vapor que por sua vez aciona a 
turbina; 
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Cadeia de Reação Nuclear 
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• Os reatores nucleares usam varas de controle 
para controlar a taxa de fissão do urânio 
• As varas de controle são inseridas e removidas 
do núcleo central de um reator para controlar ofluxo de nêutrons; 
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Cadeia de Reação Nuclear 
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• As varas de controle são inseridas e removidas do 
núcleo central de um reator para controlar o fluxo 
de nêutrons, permitindo que ocorra a cadeia de 
reação ; 
Reator Nuclear com Barras de Controle 
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Cadeia de Reação Nuclear 
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Radiação Cherenkov ou Tcherencov 
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Reatores Nuclear 
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• Os reatores nucleares são caracterizados, 
basicamente, por três elementos: 
 Tipo de combustível (urânio, tório, 
plutônio, etc.) 
 Tipo de refrigerante; 
 Tipo de moderador; 
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Reatores Nuclear 
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• São vários os tipos de reatores nucleares, mas os mais 
comuns são: 
 Reator de água leve pressurizada - PWR (Pressurised Water 
Reactor) 
 Reator de água pesada - HWR (Heavy Water Reactor) 
 Reator de água fervente - BWR (Boiling Water Reactor) 
 Reator de Água Leve - LWR (Light Water Reactor) 
 Reator a Gás a Alta Temperatura - HTGR (High Temperature 
Gas Reactor) 
 Reator de Rápida Reprodução -FBR (Fast Breeder Reactor) 
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Reatores Nuclear 
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• Os elementos combustíveis e o núcleo do 
reator são feitos de materiais refratários, eles 
não derretem e degradarão somente a 
temperaturas extremamente altas obtidas em 
condições de acidentes (mais de 1.600oC), uma 
característica que assegura uma considerável 
margem de segurança de operação; 
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Reatores Nuclear 
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• Devido em modo contínuo de carga e descarga 
do reator, a planta terá de parar por apenas 30 
a 50 dias a cada 6 anos para manutenção 
• Os reatores de água leve têm de ser 
recarregados a cada 18 a 24 meses e em geral 
param por cerca de 3 semanas. 
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Reatores Nuclear 
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• A fim de evitar os acidentes em usinas 
nucleares resultantes de perda de refrigeração 
(Three Mile Island – EUA e Fukushima – Japão 
Mar/2011), e simplificar as plantas de geração 
surge uma classe de sistemas nucleares dita ser 
de 4ª geração 
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Reatores Nuclear 
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• Este sistema consiste que todos os principais 
componentes do processo nuclear (geração de 
vapor e controle de varas de combustível) estão 
contidos em um único recipiente; 
• O projeto americano dessa classe de sistema é 
denominado de ISIS – International Reactor 
Innovative and Secure desenvolvido pela 
Westinghouse Electric. 
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Reatores Nuclear 
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• Estando todo os sistemas de refrigeração dentro de 
um recipiente resistente a pressão, significa que o 
sistema primário não pode sofrer uma grande 
perda de refrigerante mesmo que um dos grandes 
tubos quebre, 
• Os reatores de largo espectro estão na classe dos 
sistemas de 4ª geração. A maioria desses reatores 
usa o sódio líquido como o refrigerante. 
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Reatore de Largo Espectro 
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Vantagens de Plantas Nucleares 
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• Oferece grande expectativa de atender a demanda 
da energia futura. O mundo depara-se diante da 
escolha entre energia nuclear ou escassez de 
energia; 
• Os efeitos ambientais podem ser menos danosos 
do que aqueles advindos de plantas fósseis com 
emissão de dióxido de enxofre e dióxido de 
carbono; 
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Vantagens de Plantas Nucleares 
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• As usinas nucleares usam uma quantidade 
de combustível menor do que as usinas 
fósseis 
• O transporte de grandes quantidades de 
combustível fóssil põe em risco o meio 
ambiente; 
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Vantagens de Plantas Nucleares 
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• O risco de acidente em qualquer reator é 
pequeno e não seria um fator para abandonar a 
energia nuclear; 
• O uso da energia nuclear ajuda a manter o ar 
limpo, preserva o clima da terra, evita a 
formação de ozônio em nível de solo, e previne 
as chuvas ácidas; 
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Desvantagens de Plantas Nucleares 
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• Embora os riscos de acidentes em reatores 
nucleares sejam pequenos, pode ser 
argumentado que é impossível se prever todas 
as possíveis situações que pudessem levar a um 
acidente e assim preveni-las. 
• Um acidente nuclear causaria não somente 
mortes mas também contaminação ambiental 
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Desvantagens de Plantas Nucleares 
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• À medida que a capacidade de geração fosse 
aumentada, a quantidade de lixo radioativo 
aumentaria; 
• O lixo que terá de ser condicionado por 
muitos séculos seria injusto com as 
gerações futuras; 
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Desvantagens de Plantas Nucleares 
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• Poderia haver um substancial movimento de 
plutônio entre usinas com o risco de captura 
por grupos terroristas ou o risco de desvio 
para grupos ilícitos para construção de armas 
nucleares; 
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Usina Termonuclear 
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