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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 1 Usina Termonuclear 2 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Usina Termonuclear 3 • 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 4 • 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. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Usina Termonuclear 5 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Usina Termonuclear 6 Usina nuclear de Hamaoka - Japão - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Núcleo Atômico - Urânio: 7 • 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: - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Núcleo Atômico - Urânio: 8 • Após a extração, o urânio é processado (concentrado de U3O8) e transformado em "yellow cake", um pó amarelo mais fácil de ser transportado. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Núcleo Atômico - Urânio: 9 • 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: - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Enriquecimento do Urânio 10 • 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. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Enriquecimento do Urânio 11 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: - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Enriquecimento do Urânio 12 • 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 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Energia Liberada : Fissão Atômica 13 • 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; - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Energia Liberada : Fissão Atômica 14 • 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: - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Energia Liberada : Fissão Atômica 15 • 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: - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Energia Liberada : E = mc2 16 • 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; - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Energia Liberada : E = mc2 17 • 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; - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Cadeia de Reação Nuclear 18 • 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. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Cadeia de Reação Nuclear 19 • 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. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Cadeia de Reação Nuclear 20 • 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. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Cadeia de Reação Nuclear 21 • 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). - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Cadeia de Reação Nuclear 22 • 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; - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Cadeia de Reação Nuclear 23 • 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; - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Cadeia de Reação Nuclear 24 • 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 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Cadeia de Reação Nuclear 25 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Radiação Cherenkov ou Tcherencov 26 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Reatores Nuclear 27 • Os reatores nucleares são caracterizados, basicamente, por três elementos: Tipo de combustível (urânio, tório, plutônio, etc.) Tipo de refrigerante; Tipo de moderador; - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Reatores Nuclear 28 • 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) - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Reatores Nuclear 29 • 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; - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Reatores Nuclear 30 • 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. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Reatores Nuclear 31 • 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 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Reatores Nuclear 32 • 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. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Reatores Nuclear 33 • 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. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Reatore de Largo Espectro 34 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Vantagens de Plantas Nucleares 35 • 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; - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Vantagens de Plantas Nucleares 36 • 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; - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Vantagens de Plantas Nucleares 37 • 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; - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Desvantagens de Plantas Nucleares 38 • 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 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Desvantagens de Plantas Nucleares 39 • 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; - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Desvantagens de Plantas Nucleares 40 • 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; - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Usina Termonuclear 41 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014
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