ENERGIA NUCLEAR ENERGIA NUCLEAR Princpio bsico A energia

ENERGIA NUCLEAR

ENERGIA NUCLEAR - Princípio básico A energia nuclear é a energia armazenada nos núcleos dos átomos, mantendo prótons e nêutrons juntos. Esta energia é fóssil no sentido de que os elementos foram formados há cerca de 8 bilhões de anos. O minério de urânio é toda concentração natural de minerais na qual o urânio ocorre em proporções e condições que permitam sua exploração econômica. O elemento químico urânio é um metal branco-níquel, pouco menos duro que o aço e encontra-se em estado natural, nas rochas da crosta terrestre. Sua principal aplicação é na geração de energia elétrica e na produção de material radioativo para uso na medicina e na agricultura.

MINÉRIO DE UR NIO - Características O urânio encontrado na natureza é constituído de uma mistura de três isótopos: 99, 3% com massa 238, 0, 7% com massa 235 e traços com massa 234. Estes três isótopos são radioativos, ou seja, são instáveis e com o passar do tempo decaem emitindo radiação alfa e convertendo-se respectivamente nos isótopos 234, 231, e 230 do elemento tório. Estes por sua vez também se transmutam para outros elementos numa longa série que termina nos isótopos estáveis de chumbo 206, 207 e 208 respectivamente. O que é aproveitado nos reatores nucleares não é a radioatividade do urânio mas sim a propriedade de fissionar-se (quebrar-se ou partir-se) e liberar grande quantidade de energia quando atingidos por um “nêutron”.

RADIOATIVIDADE • Descoberta - Físico francês ( Henri Becquerel ) em 1896 • O fenômeno - Se um átomo tiver um núcleo muito energético, ele tenderá a estabilizar-se, emitindo o excesso de energia na forma de partículas e ondas. • Radiações Alfa, Beta e Gama. As radiações Alfa e Beta são partículas que possuem massa, carga elétrica e velocidade. Os raios Gama são ondas eletromagnéticas (não possuem massa), que se propagam com velocidade de 300 000 km/s • Meia vida dos elementos. É o tempo necessário para que a sua atividade radioativa seja reduzida à metade da atividade inicial. • Irradiação. É a exposição de um objeto ou um corpo à radiação, o que pode ocorrer à distância, sem necessidade de contato • Elementos radioativos. - urânio-238; urânio-235; tório-232; rádio-226 e rádio-228.

APLICAÇÕES DA RADIOATIVIDADE • Medicina : diagnóstico; terapia; • Arqueologia: determinar a idade de objetos históricos • Geologia, sedimentologia: determinar a idade de materiais geológicos • Hidrologia : detecção da taxa de recarga da água no subsolo através de testes com bombas atômicas que liberam o elemento trício, um isótopo radioativo de hidrogênio. Também usado na detecção de falhas ou vazamentos em barragens • Industrial: radioesterilização; irradiação de alimentos; cross-linking de isolamentos de fios e cabos elétricos; tratamento de lama de esgotos municipais • Outras aplicações: controle de insetos e pestes; etc

ENERGIA NUCLEAR NOSSA ÁREA DE INTERESSE GERAÇÃO DE ELETRICIDADE

ENERGIA NUCLEAR PONTO DE PARTIDA COMBUSTÍVEL NUCLEAR

CICLO DO COMBUSTÍVEL NUCLEAR UO 2 Reator Urânio usado Fabricação do combustível Urânio residual Pu Armazenagem 3%U-235 Reprocessamento Enriquecimen to 0, 7%U 235 Conversão em UF 6 Resíduos U Vitrificação armazenagem U 3 O 8 Material descartado Mina disposição

O CICLO DO COMBUSTÍVEL NUCLEAR O urânio é uma fonte de energia que deve ser processado através de uma série de etapas para produzir o combustível para ser utilizado. Para preparar o urânio para ser utilizado num reator nuclear, ele é submetido às seguintes etapas. A) Mineração e beneficiamento - O minério é extraído da crosta terrestre utilizando técnicas de mineração a céu aberto ou subterrâneas. Em média, os minérios de urânio contêm 10 a 30 kg por tonelada de rocha extraída. Podem estar associado ao fosfato, molibdênio, zircônio e carvão. No moinho, situado junto a mina, o urânio é triturado e moído até uma dispersão fina a qual é lixiviada em ácido sulfúrico para separação do urânio da rocha residual. Ele é então recuperado da solução e precipitado como um concentrado de óxido de urânio (U 308), conhecido como “ÿellow cake”

CONTINUAÇÀO. . B) Conversão - Uma vez que o urânio necessita estar na forma de um gás antes que possa ser enriquecido, o U 308 é convertido no gás hexafluoreto de urânio (UF 6) na usina de conversão. C) Enriquecimento Isotópico - Este processo separa o hexafluoreto de urânio gasoso em dois feixes: um feixe é enriquecido até aos níveis requeridos e passa então ao próximo estágio do ciclo de combustível. O outro feixe é empobrecido em U-235 e é chamado de “resíduo” É predominante o U-238. Alguns tipos de reatores não necessitam urânio enriquecido. D) Fabricação do combustível - O UF 6 enriquecido é transportado até uma usina de fabricação do combustível onde é convertido em pó de dióxido de urânio (UO 2) é prensado em pequenas pastilhas cilíndricas (pellets). Estas pastilhas são inseridas em tubos finos, feitos geralmente de uma liga de zircônio ou de aço inoxidável, para formarem varetas combustíveis que são então seladas e montadas em conjuntos que constituem o elemento combustível para uso no reator nuclear.

CONTINUAÇÃO. . E) Reator Nuclear - Algumas centenas de elementos combustíveis formam o núcleo do reator. No núcleo do reator, o isótopo U-235 se fissiona ou divide-se, produzindo calor num processo contínuo denominado de reação em cadeia. O Processo depende da presença de um moderador tal como água ou grafite, e é totalmente controlado. Parte do U-238 no núcleo do reator é convertido em plutônio e cerca de metade deste é também fissionável, fornecendo cerca de um terço da energia gerada pelo reator. Para manter um desempenho eficiente do reator nuclear , cerca de um terço do combustível queimado é removido cada ano, e é substituído por combustível novo.

CONTINUAÇÃO Após o urânio ter sido usado num reator, ele fica conhecido como “combustível queimado”e sofre uma série de etapas adicionais que podem incluir: F) Estocagem - Os elementos combustíveis queimados retirados do núcleo do reator são altamente radioativos e liberam calor. Por isso, eles são armazenados em piscinas especiais que estão geralmente localizadas no sítio do reator, de forma a permitir que tanto o seu calor como a radioatividade diminuam. A água na piscina serve ao duplo propósito de agir como uma barreira contra a radiação e para dispersar o calor do combustível queimado. O combustível queimado também pode ser armazenado a seco em instalações especiais. Contudo cada tipo de armazenagem somente é entendida como uma etapa intermediária antes que o combustível queimado seja ou reprocessado ou enviado para disposição final.

G) Reprocessamento e disposição dos resíduos- O combustível queimado ainda contém aproximadamente 96% de urânio original, do qual o teor de U-235 fissionável foi reduzido a menos de 1%. Cerca de 3% do combustível queimado compreende produtos residuais e o 1% restante é plutônio (Pu) produzido enquanto o combustível estava no reator. O reprocessamento separa o urânio e o plutônio dos produtos residuais, secionando as varetas combustíveis e dissolvendo os pedaços em ácidos para separar os vários materiais. O urânio recuperado pode ser retornado à usina de conversão para reconversão para hexafluoreto de urânio e subseqüentemente reenriquecido. O plutônio grau reator pode ser misturado com urânio enriquecido para produzir um combustível de óxido de misto (MOX), numa usina de fabricação de combustível

CONTINUAÇÃO. . . H) Vitrificação - Após reprocessamento o resíduo líquido de alta atividade pode ser calcinado (fortemente aquecido) para produzir um pó seco que é incorporado em vidro borosilicatado para imobilizar o resíduo. O vidro é então vazado em contêineres de aço inoxidável, cada um com capacidade para 400 kg de vidro. I) Disposição final - Os resíduos vitrificados de alta atividades selados em contêineres de aço inoxidável e as varetas de combustível queimado encapsulados em metais resistentes são enterrados em profundidade no subsolo, em estruturas rochosas estáveis.

FISSÃO E FUSÃO Produz-se energia nuclear através da “fissão” e “fusão” dos núcleos dos átomos. A “fissão” nuclear utiliza-se a propriedade de certos isótopos do urânio de se dividirem em dois fragmentos com liberação de grande quantidade de energia, a maioria da qual sob a forma de energia cinética dos fragmentos. Na própria fissão, mais nêutrons são emitidos (cerca de 2, 5 por fissão), o que permite manter uma reação em cadeia. O isótopo do urânio que melhor se presta a esse processo é o U 235, cuja abundância é de apenas 0, 7% no urânio natural.

A FISSÃO DE UM NÚCLEO DE UR NIO

REAÇÃO NUCLEAR EM CADEIA

FISSÃO NUCLEAR No processo de fissão, ocorre a liberação de uma grande quantidade de energia resultando em 2, 3 107 k. Wh por cada quilo de material fissionado. Do ponto de vista da produção de calor, isto é 2, 5 milhões de vezes maior que o produzido pelo mesmo peso do carvão. No reator nuclear, nem todos os nêutrons produzidos participam do processo de fissão; alguns são perdidos por fuga no sistema, capturados por processo sem fissão, entre outras perdas. Para que o processo seja auto-sustentável, cada fissão deve produzir nêutrons ( 2, 5 por fissão) para substituir os nêutrons perdidos.

A FUSÃO NUCLEAR A fusão nuclear é um processo em que núcleos leves se juntam para formar um núcleo mais pesado. Ou seja, na fusão dois núcleos leves são fundidos para formar um novo átomo mais pesado. As dificuldades da fusão vem do fato de que os núcleos possuem cargas elétricas que repelem um ao outro. Para que as reações ocorram, os átomos precisam ter velocidade e para isto é necessário que os mesmos sejam mantidos numa temperatura elevada (milhões de graus) num gás de alta densidade. Isto é feito em geral, mediante métodos especiais, pelos quais o gás é confinado numa dada região do espaço, por meio de combinações adequadas de campos magnéticos. Isto é feito normalmente em máquinas denominadas “tokamaks”

ESQUEMA DE UMA MÁQUINA TOKAMAK

Elementos de uma central nuclear -REATOR Reatores nucleares são sistemas para realizar reações de fissão nuclear em condições controladas. A maior parte da energia liberada no processo de fissão aparece como energia cinética dos produtos da fissão e, junto com as energia dos nêutrons e de outras radiações, é convertida em calor que aquece o combustível e outros materiais do reator. Em reatores de potência o calor é utilizado. Em reatores de pesquisa ou para produção de radioisótopos, os nêutrons e as radiações são utilizados e o calor é na maioria dos casos jogado fora. O calor liberado por fissão de uma dada quantidade de material físsil ( 1 grama de U 235, por exemplo) é mais de um milhão de vezes maior que o de queima da mesma quantidade de combustível fóssil.

TIPOS DE REATORES- Reator a água pressurizada – (PWR – Pressurized Water Reactors ) Água pressurizada subresfriada Vapor saturado Circuito secundário Turbina Reator Nuclear Gerador de vapor Fonte de calor Condensador Bomba Circuito primário Bomba Pressão no circuito primário = 10 a 14 MPa

DIAGRAMA DE UM REATOR NUCLEAR DO TIPO UR NIO ENRIQUECIDO – urânio 235 Usa água natural como “moderador”e refrigerante

ELEMENTOS CONSTITUINTES DÓ NÚCLEO DO REATOR NUCLEAR • elemento combustível - construído na forma de barras ou placas hermeticamente encerradas por capas metálicas. • barras de controle- contêm material absorvedor de nêutrons, como cádmio e boro. Estas barras são automaticamente levantadas e abaixadas para aumentar ou diminuir o fluxo de nêutrons disponíveis para a fissão. • moderador- serve para frear os nêutrons rápidos produzidos na fissão e, assim, torná-los aptos a continuar novas fissões. No interior do núcleo passa um fluido refrigerante, líquido ou gasoso, para retirar o calor gerado pelas fissões.

TIPOS DE REATORES: REATOR DE ÁGUA FERVENTE BWR – BOILING WATER REACTOR CARACTERÍSTICAS: • possibilita pressões de operação equivalentes à metade daquela dos sistemas PWR. • usa água natural como reagente e moderador • o vapor é produzido no próprio reator • o gerador de vapor e o correspondente sistema de circulação são eliminados.

TIPOS DE REATORES: Reator Rápido Regenerador a metal líquido. Neste tipo de reator, `não há o “moderador”. O processo de fissão é provocado por nêutrons “rápidos”que são muito eficientes para romper o núcleo do Pu(239). O rompimento Pu 239 emite mais nêutrons, que então podem atingir os átomos do U 238 na vizinhança do núcleo do reator. O reator rápido possui um núcleo mais compacto e as reações nucleares produzem grande quantidade de calor. O refrigerante usado para remover o calor é o sódio.

O circuito secundário de sódio é utilizado por questões de segurança ( água e sódio reagem violentamente) e também porque o sódio primário é radioativo.

TIPOS DE REATORES Reator a urânio natural - Como o urânio natural contém apenas 0, 7% do urânio físsil U 235, é necessário que se torne extremos cuidados para evitar a perda de nêutrons. Assim o moderador não pode ser água comum, chamada água leve, pois ela absorve nêutrons. Usa-se como moderador ou água pesada (D 2 O) ou carbono na forma de grafite. Reator a urânio enriquecido. Não são necessários tantos cuidados para evitar a perda de nêutrons. Assim, pode-se usar água comum H 2 O como moderador, pois o mesmo pode entrar em contato combustível.