MINISTRIO DA EDUCAO SECRETARIA DE EDUCAO PROFISSIONAL E

MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO SECRETARIA DE EDUCAÇÃO PROFISSIONAL E TECNOLÓGICA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS JOINVILLE DEPARTAMENTO DO DESENVOLVIMENTO DO ENSINO COORDENAÇÃO ACADÊMICA Eletronica Usinas Nucleares Referência: Geração de energia elétrica. Lineu Belico dos Reis. Critérios de segurança para as usinas nucleares. Eletrobrás/Eletronuclear. Energia elétrica, Alexandre Capelli, 2013. Prof. Luis S. B. Marques

A força nuclear • Praticamente toda a massa do átomo encontra-se no núcleo que é formado por prótons e nêutrons. • Os prótons e nêutrons encontram-se unidos por uma força dita força nuclear.

A Energia nuclear • Einstein calculou a energia capaz de ser obtida através da transformação do núcleo do átomo. • A essência dessa equação é a transformação de massa em energia. • Baseia-se no princípio da equivalência de energia e massa. • Alguns isótopos de certos elementos apresentam a capacidade de se transformar em outros isótopos ou elementos através de reações nucleares.

A reação nuclear libera muita energia • A reação química, por exemplo, a combustão é uma reação entre os elétrons que estão na periferia do átomo. Portanto, a equação E=MC 2 não se aplica. • A reação nuclear ocorre dentro do núcleo e a massa é convertida em energia através da equação de Einstein E=MC 2.

A Reação nuclear • Existem dois tipos de átomos na natureza: os estáveis e os Instáveis. • Se a força nuclear que une prótons e nêutrons é forte o átomo é estável. • Se a força nuclear que une prótons e nêutrons é fraca o átomo é instável e tende a emitir alguns de seus componentes para alcançar a estabilidade. Esse núcleo é radioativo.

O Experimento de Rutherford

O Experimento de Rutherford

O Experimento de Rutherford

O Experimento de Rutherford

O Experimento de Rutherford

O Experimento de Rutherford

O Urânio • O elemento natural mais radioativo é o urânio. A maior parte dele é estável, dotado de 92 prótons e 146 nêutrons. • A soma dos prótons e nêutrons determina o número atômico que neste caso é 238. • Entretanto, 1% do urânio é formado apenas por 143 nêutrons, o que resulta em um número atômico igual a 235 que é instável.

A reação nuclear • Um átomo de urânio é bombardeado por um nêutron provocando sua divisão. A essa divisão dá-se o nome de fissão. • A fissão gera mais nêutrons que bombardeiam outros núcleos em progressão geométrica gerando uma reação em cadeia. • Em uma fração de segundo o número de núcleos divididos libera uma grande quantidade de energia.

A geração nuclear • A bomba atômica caracteriza-se por uma reação sem controle, liberando o máximo de energia na forma de calor, luz e onda de choque. • No reator nuclear para geração de energia elétrica existe um moderador que limita a quantidade de emissão de nêutrons e controla a reação. Os moderadores mais comuns são água pesada e grafite.

A água pesada • É formada por oxigênio e deutério e é também conhecido como óxido de deutério. • Existe um tipo de reator que utiliza grafite como moderador e um gás no circuito de refrigeração. • Existe outro tipo de reator que utiliza água pesada como moderador e água comum pressurizada para refrigeração.

A reação nuclear • Os princípios para o utilização da energia nuclear para produzir eletricidade são os mesmos para a maioria dos tipos de reator. A energia liberada da fissão do combustível é utilizada para produzir vapor. O vapor aciona as turbinas que acionam o gerador que por sua vez gera eletricidade. • O urânio é o combustível básico. São dispostos em tubos para formar barras de combustível. As hastes são dispostas em conjuntos de combustível no núcleo do reator.

Moderador: disposição física • Ao combustível nuclear devem associar-se o moderador: água comum, água pesada, água leve, berílio ou seu óxido, grafito. Em alguns reatores o urânio (ou outro elemento ativo) fica em solução ou suspensão finíssima dentro do moderador; tem-se um sistema "homogêneo". Mais frequentemente, porém, o reator é do tipo "heterogêneo": moderador e material físsil têm forma de barras ou blocos que se alternam, formando malhas de dimensões especialmente calculadas.

Reator nuclear: princípio funcionamento • Um nêutron recém produzido numa reação nuclear de fissão, se movimenta a 16000 km/s. Se ele colidir com um átomo de urânio 235, provocara a fissão. Acontece, porem que no urânio natural existe apenas um átomo de urânio 235 para cada 140 átomos de urânio 238. Logo é muita pequena a probabilidade de um nêutron rápido atingir um átomo de urânio 235 e produzir fissão. É mais provável que isso aconteça no caso de um nêutron se movimentar a aproximadamente a 1, 6 km/s.

Reator nuclear lento • Há, então, duas maneiras de se construir um reator. Ou os nêutrons velozes são transformados em lentos, ou se aumenta fortemente a proporção dos átomos físseis. Um moderador diminui a velocidade dos nêutrons, sem absorve-los. Átomos leves, como o hidrogênio (na água), o deutério (na água pesada) e o carbono (na grafita), são bons moderadores.

Reator nuclear rápido • Reatores rápidos são aqueles que empregam nêutrons rápidos para manter a reação em cadeia. Eles usam combustível na proporção em que o material físsil aumenta consideravelmente, mediante a adição de plutônio 239, ou mais urânio 235.

Reator nuclear –O controle • Tanto nos reatores lentos quanto nos rápidos a 'população' de nêutrons que mantém a reação em cadeia é controlada mediante materiais que facilmente absorvem os nêutron (cádmio e o boro). Essas barras são introduzidas no reator e absorvem os nêutrons, desacelerando a reação e reduzindo a saída de energia do reator. Se as barras forem removidas, a reação se acelera novamente. Mas as barras são colocadas em posição tal que permitam ao reator produzir uma taxa de reação estacionaria.

Reator nuclear –O refrigerante • A maior parte da energia produzida pela fissão dos átomos é liberada em forma de calor. Para aproveitar esse calor é preciso transportá-lo mediante um líquido refrigerante, percorrendo o centro do reator, normalmente para transferir o calor para uma caldeira, onde se produz vapor. O sistema de refrigeração deve ser muito eficiente para garantir que não ocorra superaquecimento e muito menos a fusão do núcleo. Os elementos refrigerantes devem ser baratos e não-corrosivos e, por outro lado, não devem absorver nêutrons. Entre eles se incluem gases como o dióxido de carbono e hélio, líquidos como a água comum, a água pesada, alguns compostos orgânicos e ainda alguns metais líquidos, como o sódio. Algumas vezes, a função de refrigerante e moderador são exercidas por um só moderador, como, por exemplo, a água natural.

Reator nuclear –A blindagem • Uma blindagem se faz necessário para proteger o público e os operadores do reator contra os nêutrons e os raios gama emitidos pelos produtos de fissão. O tipo de blindagem mais frequente é o formado por um paredão de concreto com vários metros de largura. Frequentemente, por dentro desse paredão, coloca-se ainda uma chapa aço para reduzir a velocidade dos nêutrons rápidos que a atravessam, diminuindo a energia liberada do concreto.

Reatores nucleares • Existem reatores nucleares refrigerados a gás, com água pressurizada e com água fervente. • A primeira usina elétrica nuclear do mundo usou reatores refrigerados a gás. Construída em Calder Hall, Cumberland, Inglaterra, entrou em funcionamento em outubro de 1956. (REATOR MAGNOX) • Os reatores refrigerados a gás aperfeiçoados utilizam como combustível dióxido de urânio cerâmico e são embalado em aço inoxidável. Aumentou-se a eficiência térmica.

REATORES A ÁGUA PRESURIZADA (PWR) • Nesse tipo de reator o elemento refrigerador usado e a água comum, sob pressão muito forte. Ela é aquecida até atingir 580ºC. Embora não ferva por causa da alta pressão, ela passa por um permutador de calor onde faz ferver a água contida num circuito secundário para produzir vapor. A água pressurizada funciona também como moderador.

REATORES A ÁGUA FERVENTE (BWR) • Nos reatores a água fervente o liquido refrigerador é também o moderador , mas não esta sobre pressão e ferve no reator. Este assemelha-se a uma chaleira nuclear, cuja fonte de calor é um combustível constituído de óxido de urânio enriquecido, em liga de zircônio. O vapor passa diretamente da parte superior do reator para os turbo-geradores.

Segurança das usinas nucleares • As usinas nucleares possuem sistemas de segurança redundantes, independentes, fisicamente separados e de tecnologias diversas para a prevenção de acidentes • Na situação improvável de perda de controle do reator em operação normal, esses sistemas de segurança entram automaticamente em ação para impedir condições operacionais inadmissíveis. • Além de todos esses sistemas Angra I e II possuem sistemas de segurança passivos que funcionam sem que precisem ser acionados por dispositivos elétricos.

Segurança das usinas nucleares • Esses sistemas dito passivos são as numerosas barreiras protetoras de concreto e aço, os edifícios de contenção, que protegem as usinas contra impactos externos tais quais terremotos, maremotos, inundações e explosões, ou aumento da pressão no interior da usina. • No importante processo de treinamento para os profissionais das usinas, destaca-se o licenciamento dos Operadores das Salas de controle. Eles recebem treinamento sistemático em sala de aula, na usina e em simulador.

Segurança das usinas nucleares • Além disso, precisam ser licenciados pela Comissão Nacional de Energia Nuclear, CNEN. Os operadores de Angra 1 passam por um rigoroso treinamento realizado nos Estados Unidos e na Europa, onde utilizam simuladores compatíveis com a Sala de Controle da usina. • A Eletronuclear possui em Mambucaba (município de Paraty) um simulador que é uma réplica da sala de controle de Angra 2. Lá, todos os operadores da usina são treinados, podendo-se reproduzir todas as situações que ocorrem durante o funcionamento normal da Usina ou em situações anormais e simular emergenciais.

Segurança das usinas nucleares • O plano de emergência abrange uma área com raio de 15 km em torno da Usina. Esse plano envolve a Eletronuclear, os órgãos da Defesa Civil, a CNEN, o Exército, a Aeronáutica, a Marinha e diversas empresas de prestação de serviços. • O plano contempla todas as medidas para proteção dos trabalhadores e da população no caso de um acidente nuclear, inclusive a necessidade de evacuação ordenada. Por isso, periodicamente são feitos exercícios simulados para que se possa testar o seu funcionamento.

Segurança das usinas nucleares • Além dos processos de auto avaliação implementados pela Eletronuclear, as usinas são sistematicamente auditadas pelos órgãos reguladores nacionais - a CNEN mantem profissionais residentes que têm acesso a todos as atividades e documentos – e são avaliadas periodicamente por organismos internacionais, como a Agência Internacional de Energia Atômica, IAEA, e a Associação Mundial de Operadores Nucleares, WANO (World Association of Nuclear Operators). As usinas também travam um intenso intercâmbio com outros organismos nacionais e internacionais na busca da melhoria contínua.

Tecnologia utilizada em Angra • As Usinas de Angra operam com um reator do tipo PWR (pressurized water reactor), reator de água pressurizada, utilizado em mais que 60% das usinas nucleares do mundo. • O reator PWR é projetado para ter características de auto regulação, isto é, com o aumento de temperatura há uma diminuição de potência, exatamente para funcionar como freio automático contra aumentos repentinos de potência.

Tecnologia utilizada em Angra • A fissão dos átomos de urânio dentro das varetas do elemento combustível aquece a água que passa pelo reator. 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 que, por sua vez, aciona o gerador elétrico. Esse vapor, depois de mover a turbina, passa pelo condensador, é refrigerado pela água do mar, trazida por um terceiro circuito independente. A existência desses três circuitos impede o contato da água que passa pelo reator com as demais. Além disso, essa tecnologia permite que, em caso de perda total de abastecimento elétrico externo para seus equipamentos, opere em circulação natural. Nesta condição, a água do sistema primário, que resfria o reator, circula naturalmente por diferença de densidade, sem a necessidade de acionamento por bombas. Essa condição pode assim permanecer por algum tempo, propiciando mais tempo para o restabelecimento do suprimento elétrico externo sem comprometer a integridade do núcleo do reator.

Ações Corretivas • A indicação e registro de falhas diretamente na sala de controle possibilitam que as funções de controle de processo sejam atuadas pelo pessoal de operação. A fim de minimizar o recurso às ações manuais, existem sistemas de limitação, além dos sistemas de controle, que iniciam contramedidas corretivas em situações anormais no sentido de retorno à condição normal de operação.

Controle de Acidentes • Os acidentes que a usina deve ser capaz de suportar e que devem ser controlados são: Acidentes originados no interior da central tais como ruptura de uma tubulação principal de refrigerante, de vapor principal ou de água de alimentação, falha do sistema de controle do reator e acidentes devido a impactos externos: terremoto, onda de pressão devido a explosão.

Barreiras Passivas A contenção segura da radioatividade produzida na fissão nuclear é obtida mediante uma série de barreiras que agem para proporcionar "defesa em profundidade”.

Barreiras Passivas A barreira mais interna dos produtos de fissão é o combustível, ou seja, o próprio dióxido de urânio. Na sua maior parte, os produtos de fissão ocupam posições vazias na estrutura cristalina da pastilha onde são retidos. Apenas uma pequena fração dos produtos de fissão voláteis e gasosos é capaz de escapar da estrutura do combustível.

Barreiras Passivas Para impedir que esta parcela atinja o refrigerante, as pastilhas são colocadas dentro de tubos de revestimento estanques O sistema de refrigeração do reator se apresenta como mais uma barreira estanque e evita liberação de radioatividade para dentro da esfera de contenção.

Dispositivos de Segurança Ativos O sistema de proteção do reator monitora continuamente as principais variáveis de processo da central e inicia contramedidas de segurança sempre que forem iminentes condições de risco. O sistema de desligamento rápido do reator utiliza barras de controle absorvedoras de neutrons, sustentadas magneticamente em posição retirada fora do núcleo durante a operação em potência.

Dispositivos de Segurança Ativos Um segundo sistema diverso de desligamento é capaz de desligar o reator mediante injeção de solução de ácido bórico, absorvedor de nêutrons, no refrigerante.

Dispositivos de Segurança Ativos O sistema de isolamento da contenção veda a mesma contra a atmosfera externa, no decorrer de acidentes durante os quais se espera a presença de radioatividade dentro da contenção. Todas as tubulações que penetram através da parede de contenção (salvo aquelas utilizadas por sistemas que controlam e mitigam o acidente) são bloqueadas por, pelo menos duas válvulas de isolamento montadas em série.

Dispositivos de Segurança Ativos O sistema de remoção de calor residual assume a tarefa de refrigerar o núcleo do reator também na hipótese de um acidente com perda de refrigerante. Bombas de injeção de segurança de alta pressão capazes de compensar pequenas perdas de refrigerante. As bombas de remoção de calor residual, de baixa pressão, compensam perdas maiores e removem a longo prazo o calor residual gerado no reator desligado.

Dispositivos de Segurança Ativos Se o sistema secundário, ou seja, o circuito água/vapor da turbina for afetado por um acidente com falha do sistema operacional normal de suprimento de água de alimentação, o sistema de água de alimentação de emergência garantirá o suprimento continuado dos geradores de vapor. O sistema de suprimento de energia elétrica de emergência garante o abastecimento dos sistemas relacionados com a segurança se o conjunto turbo gerador cessar de gerar a demanda interna de energia da central durante um acidente e a rede externa de energia elétrica não mais estiver disponível.

Redundância As consequências de falhas simples aleatórias são controladas mediante aplicação do princípio de redundância. Após alguns anos e alguns ciclos os elementos combustíveis vão se esgotando até se tornarem sem valor em termos de geração de energia e por isso são substituídos e transferidos do núcleo para a “piscina de elementos combustíveis queimados”.

Princípio falha no modo seguro Em certos casos, a aplicação do princípio "failsafe" proporciona proteção adicional. Sempre que possível, os sistemas de segurança são projetados de tal maneira que falhas nos próprios sistemas ou no suprimento de energia elétrica, iniciem ações direcionadas para o lado seguro. Por exemplo, as barras de controle caem desligando o reator no caso de falta de energia interna da usina.

Automação Ações para controle de ocorrências anormais são iniciadas automaticamente, não se contando com a atenção e a capacidade de tomada de decisões corretas por parte da equipe de operação. Em Angra 2, por exemplo, a fim de minimizar a probabilidade de decisões incorretas tomadas sob pressão nos primeiros minutos após o início da ocorrência, todas as funções essenciais de segurança são operadas automaticamente desde o início do incidente até o mínimo 30 minutos após, ficando desnecessárias as ações manuais.

Terremotos Construídas numa região com probabilidade muito baixa de ocorrência de eventos sísmicos, as usinas de Angra foram projetadas para resistir a terremotos. Diversos sistemas garantem, de forma segura, o desligamento das usinas após qualquer abalo que atinja as especificações consideradas no seu projeto. O maior terremoto registrado na região Sudeste, nas últimas décadas, ocorreu em 22 de abril de 2008, atingiu 5, 2 graus na escala Richter. Especialistas estimam que a probabilidade de ocorrência de um abalo dessa proporção nas proximidades da Central Nuclear é de uma a cada 50 mil anos.

Contenção contra movimentos do mar A possibilidade de um tsunami (maremoto) atingir o litoral brasileiro na região Sudeste é mínima. Um evento desta natureza é provocado na maioria das vezes em decorrência de um abalo sísmico de grande magnitude (superior a 7. 0) no mar, em que o foco esteja pouco profundo e em regiões de borda de placas tectônicas que se movem uma em direção à outra, gerando ondas que podem alcançar grande amplitude nas regiões costeiras próximas. A região Sudeste do litoral brasileiro está situada na placa tectônica Sul Americana, que se afasta da placa tectônica Africana. Portanto, no oceano Atlântico Sul, não existem as condições necessárias para gerar os tsunamis.

Resíduos Radioativos • Os rejeitos sólidos de baixa e média atividades são acondicionados em embalagens metálicas, testadas e qualificadas pela CNEN e transferidos para o depósito inicial, construído no próprio sítio da CNAAA. • Os elementos de alta atividade são colocados dentro de uma piscina contendo um sistema de resfriamento no interior das usinas, este é considerado um depósito intermediário de longa duração, cercado de todos os requisitos de segurança exigidos.

Monitoração Ambiental Permanente • Antes da entrada em operação da primeira usina nuclear brasileira, Angra 1, em 1985, o Laboratório de Monitoração Ambiental da Eletrobras Eletronuclear mediu os níveis de radioatividade natural (a natureza nos submete a um inevitável grau de radiação) e realizou estudos populacionais dos seres vivos - flora e fauna - na área de influência da Central Nuclear Almirante Álvaro Alberto.

Monitoração Ambiental Permanente • Os resultados desses estudos permitem a comparação com dados obtidos, hoje, em amostras regularmente coletadas de água do mar, da chuva e de superfície, de areia da praia, algas, peixes, leite, pasto e do ar. Esse trabalho constatou que o funcionamento das usinas de Angra, em mais de vinte e cinco anos, não causou nenhum impacto significativo no meio ambiente.

Monitoração Ambiental Permanente • Uma equipe de biólogos, físicos e químicos, altamente especializada, executa programas contínuos de monitoração ambiental e envia os resultados para os órgãos fiscalizadores nacionais e internacionais.