Energia Nuclear

Prévia do material em texto

Trabalho acadêmico de Fonte de Energia
 Energia Nuclear
Alunos: NATALIA RODRIGUES COUTINHO; 
A energia é responsável pela produção de trabalho, portanto, qualquer coisa que esteja trabalhando possui energia. Os mais importantes tipos de energia que existem são: mecânica (movimento); térmica (calor); elétrica (potencial elétrico); química (reações químicas) e nuclear (desintegração do núcleo). (Magalhães ([2018]))
O Átomo
[footnoteRef:1] Por muito tempo, pensou-se que o átomo seria a menor porção da matéria e teria uma estrutura compacta, porém, atualmente, sabemos que o átomo é constituído por partículas menores (sub-atômicas), distribuídas numa forma semelhante à do Sistema Solar, por exemplo. Existe um núcleo, onde fica concentrada a massa do átomo, equivalente ao Sol, e minúsculas partículas que giram em seu redor, denominadas elétrons, correspondentes aos planetas. Os elétrons são partículas de carga negativa e massa muito pequena. O átomo possui também, como o Sistema Solar, grandes espaços vazios, que podem ser atravessados por partículas menores que ele. [1: Texto retirado da Apostila educativa: Energia Nuclear, segundo Cardoso (ano de publicação, desconhecido).] 
Figura 1 Sub-atômicas
O núcleo do átomo é constituído de partículas de carga positiva, chamadas prótons, e de partículas de mesmo tamanho, mas sem carga, denominadas nêutrons. Prótons e nêutrons são mantidos juntos no núcleo por forças, até o momento, não totalmente identificados.
Figura 2 Estrutura do Núcleo
Os prótons têm a tendência de se repelirem, porque têm a mesma carga (positiva). Como eles estão juntos no núcleo, comprova-se a existência de uma energia nos núcleos dos átomos com mais de uma partícula para manter essa estrutura. 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). 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).
Figura 3 Utilização da energia nuclear
Fissão Nuclear: A divisão do núcleo de um átomo pesado, por exemplo, do urânio-235, em dois menores, quando atingido por um nêutron, é denominada fissão nuclear. Semelhante como jogar uma bolinha de vidro (um nêutron) contra várias outras agrupadas (o núcleo).
 (
Figura 
4
 
Reação em cadeia
)Reação em Cadeia: Na realidade, em cada reação de fissão nuclear resultam, além dos núcleos menores, dois a três nêutrons, como consequência 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.
Urânio-235 e Urânio-238: O urânio-235 é um elemento químico que possui 92 prótons e 143 nêutrons no núcleo. Sua massa é, portanto, 92 + 143 = 235. Além do urânio-235, existem na natureza, em maior quantidade, átomos com 92 prótons e 146 nêutrons (massa igual a 238). São também átomos do elemento urânio, porque têm 92 prótons, ou seja, número atômico 92. Trata-se do urânio-238, que só tem possibilidade de sofrer fissão por nêutrons de elevada energia cinética (os nêutrons rápidos). Já o urânio-235 pode ser fissionado por nêutrons de qualquer energia cinética, preferencialmente os de baixa energia, denominados nêutrons térmicos (lentos).
Isótopos: São átomos de um mesmo elemento químico que possuem massas diferentes. (Urânio-235 e urânio-238 são isótopos de urânio). Muitos outros elementos apresentam essa característica, como, por exemplo, o Hidrogênio, que tem três isótopos: Hidrogênio, Deutério e Trítio.
Figura 5 Isótopos
Energia Nuclear
Segundo Bezerra ([2017]), a Energia nuclear, também conhecida como atômica produzida nas usinas termonucleares, utilizam o urânio e tório como combustíveis.
A energia nuclear [...] é obtida a partir da fissão do núcleo do átomo de urânio enriquecido, liberando uma grande quantidade de energia. A energia nuclear mantém unidas as partículas do núcleo de um átomo. A divisão desse núcleo em duas partes provoca a liberação de grande quantidade de energia. (Francisco ([2014]))
O urânio por sua vez é um recurso mineral não renovável encontrado na natureza, que também é utilizado na produção de material radioativo para uso na medicina, além de ser utilizado para fins pacíficos esse recurso pode ser utilizado na produção de armamentos, como a bomba atômica. Os primeiros resultados da divisão do átomo de metais pesados, como o urânio e o plutônio, foram obtidos em 1938. A princípio, a energia liberada pela fissão nuclear foi utilizada para objetivos militares. Posteriormente, as pesquisas avançaram e foram desenvolvidas com o intuito de produzir energia elétrica. No entanto, armas nucleares continuam sendo produzidas através do enriquecimento de urânio. (Francisco ([2014]))
Conforme relatado por Magalhães ([2018]), as fontes não renováveis de energia causam diversos problemas ambientais se não consumida de maneira racional. Seu uso pode implicar em desequilíbrios no ecossistema na medida em que seus recursos se esgotam, sendo assim, Francisco ([2014]) relata em sua matéria, que [...] essa fonte energética é responsável por muita polêmica e desconfiança: a falta de segurança, a destinação do lixo atômico, além da possibilidade de acontecerem acidentes nas usinas, gera a reprovação da utilização da energia nuclear por grande parte da população [...]. Alguns acidentes em usinas nucleares que já aconteceram, entre eles estão:
1. O primeiro acidente, registrado em 1952 em Chalh River, no Canadá: O rio Chalk sofreu dois acidentes nucleares em 1952 e 1957 nos Laboratórios Chalk River. Em 1952, quando o reator NRX sofreu uma violenta explosão que destruiu o núcleo do reator. A explosão do reator causou a fusão de combustível nuclear. A descida das barras de controle falhou, portanto as reações de fissão nuclear em cadeia não puderam ser interrompidas. Como resultado, milhares de partículas radioativas foram liberadas na atmosfera. Cinco anos depois, várias barras de combustível nuclear de urânio superaqueceram e se romperam no núcleo do reator NRU. Devido à ruptura das barras de combustível, eles pegaram fogo, causando sérias consequências para as instalações canadenses; [footnoteRef:2] [2: Planas (2010; revisado em 2020).] 
2. Kyshtym. Usina nuclear Mayak- Rússia foi um acidente nuclear que ocorreu em 29 de setembro de 1957 em Mayak (usina de reprocessamento de combustível nuclear na União Soviética), esse acidente, teve magnitude de nível 6 na escala INE. Atualmente , é o terceiro pior desastre nuclear da história. Esse desastre, porém, não é muito conhecido, pelo fato das autoridades soviéticas tentarem por 30 anos ocultar os vazamentos nucleares que vêm ocorrendo. Além disso, naquela época a URSS estava prestes a completar 40 anos da Revolução de Outubro e cinco dias após o lançamento do Sputnik, o primeiro satélite artificial da história; [footnoteRef:3] [3: Planas (2014; revisado em 2020);] 
3. Three Miles Island – em 1979, na usina localizada na Pensilvânia (EUA), ocorreu a fusão do núcleo do reator e a liberação de elevados índices de radioatividade que atingiram regiões vizinhas; 
4. Chernobyl – em 1986 ocorreram o incêndio e o vazamento de radiação na usina ucraniana, na extinta União Soviética, com milhares de feridos e mortos, podendo a contaminação radioativa ter causado 1 milhão de casos de câncer nos 20 anos seguintes;
5. Acidente nuclear na central de Saint-Laurent-des-Eaux, França. A instalação nuclear sofreu dois acidentes nucleares de nível 4 na escala INES nos anos de 1969 e 1980. Ambos os acidentes nuclearesrepresentaram um ponto de virada na situação da energia nuclear na França. Em 1969, durante o reabastecimento como resultado de falha do equipamento e erro do operador, o núcleo do reator nuclear derreteu parcialmente. Como resultado, 50 kg de urânio foram derretidos, 47 dos quais foram coletados posteriormente, inclusive manualmente pelos funcionários. Já em 1980, o reator da segunda unidade A-2 da usina nuclear Saint-Laurent-des-Eaux aumentou acentuadamente sua atividade de reações de fissão nuclear. Consequentemente, a energia térmica no reator aumentou incontrolavelmente até atingir o ponto em que ocorreu o colapso do núcleo. O derretimento do núcleo envolveu um total de 20 kg de combustível nuclear derretido. Este acidente na usina nuclear de Saint-Laurent também foi classificado como nível 4 na escala internacional de eventos nucleares (INES);[footnoteRef:4] [4: Planas (2020).] 
6. O Brasil enfrentou o pior acidente nuclear de sua história quando o material Césio-137 não foi descartado corretamente. Calcula-se que 1600 pessoas tenham sido contaminadas e quatro pessoas morreram neste episódio;
7. Bohunice, o acidente aconteceu na Tchecoslováquia, em 22 de fevereiro de 1977. Ocorreu após uma troca de combustível;
8. Windscale, ocorrido em 1957, no Reino Unido, durante o período que sucede a Segunda Guerra Mundial, quando resolveram construir uma bomba atômica; 
9. A instalação de tratamento de combustível de urânio está localizada em Tokaimura (Japão), 120 km a nordeste de Tóquio, na Prefeitura de Ibaraki. Atualmente é propriedade da empresa JCO. O acidente nuclear da instalação ocorreu em 30 de setembro de 1999, no prédio de conversão da usina nuclear. O operário, que acrescentou o sétimo balde de nitrato de urânio ao poço, viu um clarão azul de radiação de Cherenkov. Ele e outro trabalhador que estava perto da pia imediatamente sentiram dor, náusea, falta de ar e outros sintomas; Poucos minutos depois, já na sala de descontaminação, vomitou e perdeu a consciência. Não houve explosão, mas o resultado da reação nuclear foi intensa radiação gama e nêutrons tanque de sedimentação, o que provocou o alarme, e então começou ações para localizar o acidente nuclear. Em particular, 161 pessoas foram evacuadas de 39 edifícios residenciais dentro de um raio de 350 metros da empresa (eles foram autorizados a retornar a suas casas depois de dois dias). 11 horas após o início de o acidente nuclear, um nível de radiação gama de 0,5 millisievert por hora foi registrado em um dos locais fora da usina nuclear. A reação de fissão da cadeia nuclear continuou intermitentemente por aproximadamente 20 horas, após o que parou devido ao fato de que a água foi adicionada à camisa de resfriamento em torno do tanque de decantação. A água desempenhava o papel de um refletor de nêutrons e o ácido bórico era adicionado ao decantador (o boro é um bom absorvente de nêutrons); Esta operação envolveu 27 trabalhadores, que também receberam uma certa dose de radiação. As rupturas na reação nuclear em cadeia foram causadas pelo fato de que o líquido ferveu, a quantidade de água se tornou insuficiente para atingir a criticidade e a reação em cadeia foi atenuada. Depois de arrefecer e condensar a água, a reacção foi retomada. A radiação de nêutrons parou junto com a reação em cadeia, mas por algum tempo o nível perigoso de radiação gama residual dos produtos de fissão permaneceu na pia. Por esse motivo, foi necessário instalar proteção temporária contra sacos de areia e outros materiais. Os produtos de fissão nuclear radioativa mais voláteis permaneceram no interior do edifício devido ao fato de manterem uma pressão mais baixa do que a do exterior e foram depois recolhidos utilizando filtros de ar de elevada eficiência. No entanto, alguns dos gases radioativos nobres e o iodo 131 entraram na atmosfera. O acidente afetou diretamente os três trabalhadores que prepararam a amostra, que tiveram que ser hospitalizados, dois deles em condições críticas e que morreram um com 12 semanas e outro com 7 meses. Além disso, mais 56 trabalhadores na fábrica foram expostos à radiação, dos quais pelo menos 21 pessoas receberam doses importantes e tiveram que estar sob avaliação médica.[footnoteRef:5] [5: Planas (2010; revisado em 2018).] 
10. O mais recente foi em 2011 na usina Fukushima 1, na costa leste do Japão, que foi atingida pelo terremoto e pelo tsunami que abalou a região. Houve explosão nos prédios que abrigavam dois reatores o que provocou a liberação da radiação
Classificação dos acidentes nucleares: Escala INES - Escala Internacional de Eventos Nucleares
A escala INES é um instrumento para quantificar a gravidade de um evento nuclear e radiológico (acidentes ou incidentes nucleares). INES significa  International Nuclear Events Scale  (Escala Internacional de Eventos Nucleares).
Figura 6 Escala INES; Fonte: https://pt.energia-nuclear.net/acidentes-nucleares/escala-ines.html 
A escala INES é usada em todo o mundo para comunicar ao público informações sistemáticas sobre a importância de tais eventos nucleares e radiológicos do ponto de vista da segurança. Da mesma forma que as escalas de Richter são usadas para quantificar a intensidade de um terremoto ou a escala Celsius para medir a temperatura, a escala INES indica a importância de eventos derivados de uma ampla gama de atividades, incluindo uso industrial e médico. Fontes de radiação, a exploração de instalações de energia nuclear e o transporte de materiais radioativos. Eventos nucleares podem ser classificados nesta escala do INES em sete níveis. Os eventos de níveis 1 a 3 são chamados "incidentes", enquanto que no caso dos níveis de 4 a 7 falamos de "acidentes". Cada aumento de nível na escala indica que a gravidade dos eventos é aproximadamente dez vezes maior. Quando os eventos não são importantes do ponto de vista da segurança, eles são chamados "desvios" e são classificados "Abaixo Escala / Nível 0". Planas(2010; 2019).
Energia Nuclear no mundo
Segundo Eletronuclear ([2014]), os átomos de alguns elementos químicos apresentam propriedades que através de reações nucleares, transformam massa em energia. Esse princípio foi demonstrado por Albert Einstein. O processo ocorre espontaneamente em alguns elementos, porém em outros precisa ser provocado através de técnicas específicas. Existem duas formas de aproveitar essa energia para a produção de eletricidade: A fissão nuclear, onde o núcleo atômico se divide em duas ou mais partículas, e a fusão nuclear, na qual dois ou mais núcleos se unem para produzir um novo elemento. A fissão do átomo de urânio é a principal técnica empregada para a geração de eletricidade em usinas nucleares. É usada em mais de 400 centrais nucleares em todo o mundo, principalmente em países como a França, Japão, Estados Unidos, Alemanha, Suécia, Espanha, China, Rússia, Coréia do Sul, Paquistão e Índia, entre outros.
Segundo a WNA (Associação Nuclear Mundial, da sigla em Inglês), hoje, 14% da energia elétrica no mundo, é gerada através de fonte nuclear e este percentual tende a crescer com a construção de novas usinas, principalmente nos países em desenvolvimento (China, Índia, etc.). Os Estados Unidos, que possuem o maior parque nuclear do planeta, com 104 usinas em operação, estão ampliando a capacidade de geração e aumentando a vida útil de várias de suas centrais. França, com 58 reatores, e Japão, com 50, também são grandes produtores de energia nuclear, seguidos por Rússia (33) e Coréia do Sul (21).
Figura 7 Tabela dos principais produtores de energia nuclear: https://www.todamateria.com.br/energia-nuclear/
Atualmente os Estados Unidos lideram a produção de energia nuclear, porém os países mais dependentes da energia nuclear são: França, Suécia, Finlândia e Bélgica. Na França, cerca de 80% de sua eletricidade é oriunda de centrais atômicas. No fim da década de 1960, o governo brasileiro começou a desenvolver o Programa Nuclear Brasileiro, destinado a implantar no país a produção de energia atômica. O país possui a central nuclear Almirante ÁlvaroAlberto, constituída por três unidades (Angra 01, Angra 02, e Angra 03). Está instalada no município de Angra dos Reis, no estado do Rio de Janeiro. Angra 1 e Angra 2 produzem cerca 3% da energia consumida no país, sendo que são 13,8 Twh (terawatt-hora) são gerados nas duas usinas. A terceira usina nuclear está em fase de construção na praia de Itaorna, em Angra dos Reis, na cidade carioca (Angra 3).
Como funciona uma usina nuclear?
	A fissão dos átomos de urânio dentro das varetas do elemento combustível aquece a água que passa pelo reator a uma temperatura de 320° Celsius. Para que não entre em ebulição (o que ocorreria normalmente aos 100º Celsius), esta água é mantida sob uma pressão 157 vezes maior que a pressão atmosférica.  O gerador de vapor realiza uma troca de calor entre as águas deste primeiro circuito e a do circuito secundário, que são independentes entre si. Com essa troca de calor, a água do circuito secundário se transforma em vapor e movimenta a turbina (a uma velocidade de 1.800 rpm) que, por sua vez, aciona o gerador elétrico. Esse vapor, depois de mover a turbina, passa por um condensador, onde é refrigerado pela água do mar, trazida por um terceiro circuito independente. Eletronuclear ([2014]).
A existência desses três circuitos impede o contato da água que passa pelo reator com as demais.  Uma usina nuclear oferece elevado grau de proteção, pois funciona com sistemas de segurança redundantes e independentes (quando somente um é necessário).
Figura 8 Controle da Reação de Fissão Nuclear em Cadeia
Figura 9 Funcionamento de uma Usina Nuclear: eletronuclear.gov.br/Sociedade-e-Meio-Ambiente/espaco-do-conhecimento/Paginas/Energia-Nuclear.aspx#
Figura 10 Varetas de Combustível
As vantagens e desvantagens segundo Mendes (2019; 2020) São: 
Vantagens da energia nuclear
1. Disponibilidade de urânio, pois começou a ser utilizado na segunda metade do século XX, enquanto o carvão mineral foi procurado desde o século XVIII. Dessa forma, as reservas de energia nuclear são maiores que as reservas de combustíveis fósseis;
2. Questão ambiental: é pouco poluente, pois não emite gases do efeito estufa, por isso, muitos a defendem como uma energia ambientalmente viável;
3. Comparada às usinas de combustíveis fósseis, a usina nuclear requer menores áreas;
4. As usinas nucleares possibilitam maior independência energética para os países importadores de petróleo e gás.
Desvantagens da energia nuclear
1. Lixo tóxico: apesar de ser pouco poluente, ela emite uma grande quantidade de radiação no seu resíduo. Depois que o urânio é utilizado, ele chega em um determinado momento que não serve mais para a utilização na usina nuclear, então é retirado. Porém, esse resíduo continua emitindo radiação. O vazamento desse lixo tóxico pode atingir as pessoas, por isso é necessário que ele seja guardado em algum lugar específico até que os níveis de radiação não prejudiquem a vida humana. 
2. Possibilidade de construção de bombas atômicas;
3. Altos investimentos: a energia nuclear é muito cara. Os países que utilizam esse tipo de energia em grande quantidade são: Japão, França, Estados Unidos, Alemanha. Ou seja, países que em comum tem essa grande capacidade de mobilizar recursos.
Defesa em Profundidade
É um conceito de projeto que envolve a criação de sucessivas barreiras físicas que mantêm a radiação sob total controle:
1. As pastilhas de dióxido de urânio possuem uma estrutura molecular que retém a maior parte dos produtos gerados na fissão;
2. As varetas que contêm as pastilhas são seladas e fabricadas com uma liga metálica especial;
3. O vaso do reator funciona como uma barreira estanque;
4. A blindagem radiológica permite que os trabalhadores possam acessar áreas próximas ao reator;
5. O envoltório de aço especial, com 3 centímetros de espessura, é projetado para resistir ao mais sério acidente;
6. O envoltório de concreto, com 70 centímetros de espessura, conterá qualquer material caso as demais barreiras falhem.
REFERÊNCIA
BEZERRA, Juliana. “Energia Nuclear”; Toda Matéria. Disponível em: https://www.todamateria.com.br/energia-nuclear/. Acesso em: 09 mar. 2021.
FRANCISCO, Wagner de Cerqueira e. "Energia Nuclear"; Brasil Escola. Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/geografia/energia-nuclear.htm. Acesso em 09 de março de 2021.
MAGALHÃES, Lana. “Tipos de Energia”; Toda Matéria. Disponível em: https://www.todamateria.com.br/tipos-de-energia/. Acesso em 10 de março de 2021.
PLANAS, Oriol[footnoteRef:6]. “Acidente nuclear em Chalk River- Ontário, Canadá”; Energia Nuclear. Disponível em: https://pt.energia-nuclear.net/acidentes-nucleares/chalk-river. Acesso em 10 de março de 2021.[footnoteRef:7] [6: Engenheiro Técnico Industrial, especializado em Mecânica;] [7: Seu artigo foi publicado no ano de 2010 e revisado pela última vez em 2020;] 
PLANAS, Oriol. “Acidente nuclear de Kyshtym. Usina nuclear Mayak, Rússia”; Energia Nuclear. Disponível em: https://pt.energia-nuclear.net/acidentes-nucleares/mayak. Acesso em 10 de março de 2021.[footnoteRef:8] [8: Seu artigo foi publicado pela primeira vez em 2014 e revisado em 2020;] 
PLANAS, Oriol. “Acidente nuclear na central de Saint-Laurent-des-Eaux, França”; Energia Nuclear. Disponível em: https://pt.energia-nuclear.net/acidentes-nucleares/acidente-nuclear-saint-laurent-des-eaux-franca. Acesso em 10 de março de 2021.[footnoteRef:9] [9: Seu artigo foi publicado em 2020;] 
PLANAS, Oriol. “Acidente nuclear da Tokaimura, Japão”; Energia Nuclear. Disponível em: https://pt.energia-nuclear.net/acidentes-nucleares/tokaimura. Acesso em 10 de março de 2021.[footnoteRef:10] [10: Seu artigo foi publicado pela primeira vez em 2010 e revisado em 2018;] 
PLANAS, Oriol. “Classificação dos acidentes nucleares: Escala INES - Escala Internacional de Eventos Nucleares”; Energia Nuclear. Disponível em: https://pt.energia-nuclear.net/acidentes-nucleares/escala-ines.html. Acesso em 10 de março de 2021.[footnoteRef:11] [11: Seu artigo foi publicado pela primeira vez em 2010 e revisado em 2019.] 
ELETRONUCLEAR; Eletrobras. “Energia Nuclear”. Disponível em: https://www.eletronuclear.gov.br/Sociedade-e-Meio-Ambiente/espaco-do-conhecimento/Paginas/Energia-Nuclear.aspx#. Acesso em 10 de março de 2021.
MENDES; Elaine. “Energia Nuclear”; Educa+ Brasil. Disponível em: https://www.educamaisbrasil.com.br/enem/fisica/energia-nuclear. Acesso em 10 de março de 2021.
CARDOSO; Eliezer de Moura. “Apostila educativa: Energia Nuclear”; Comissão Nacional de Energia Nuclear. Disponível em: http://www.fiocruz.br/biosseguranca/Bis/manuais/radioprotecao/Energia%20Nuclear.pdf. Acesso em 10 de março de 2021.
Professor: EIJI HARIMA
Alunos: NATALIA RODRIGUES COUTINHO; GABRIEL MANOEL ALVES.