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Conteúdo

Conteúdo 1

1.Introdução 2

2.Processo de Produção de Energia 4

3.Energia nuclear no mundo 7

4.Energia nuclear no Brasil 10

5.Vantagens e Desvantagens 17

6.Conclusão 21

7.Referências 22

  1. Introdução

Atualmente, com todos os problemas ambientais que se tem vivenciado, torna-se cada vez mais necessário a criação de novas alternativas de geração de energia que causem o mínimo de impacto ambiental negativo possível.

Todo meio de geração de energia possui vantagens e desvantagens. Porém, a energia nuclear, que é o tema deste seminário, vem ganhando cada vez mais importância e sendo cada vez mais utilizada em todo o mundo, pois tem se mostrado uma das fontes energia mais limpas

Energia nuclear é a energia contida do núcleo dos átomos capaz de manter um equilíbrio entre os prótons e os nêutrons ali existentes (já que como prótons possuem a mesma carga, a tendência natural é eles se repelirem). Porém, por meio de uma reação nuclear, ou seja, em processos de transformação de núcleos atômicos, esta pode vir a ser liberada. Isto porque alguns isótopos de certos elementos apresentam a capacidade de se transformar em outros isótopos ou elementos através de reações nucleares, emitindo energia durante esse processo. Baseia-se no princípio da equivalência de energia e massa (observado por Albert Einstein – E = mc2), segundo a qual durante reações nucleares ocorre transformação de massa em energia.

Essa tecnologia permite aproveitar a energia nuclear liberada por meio destas reações, convertendo o calor emitido na reação em energia elétrica. Isso pode acontecer controladamente em reator nuclear ou descontroladamente em bomba atômica. Em outras aplicações aproveita-se da radiação ionizante emitida.

Os pontos principais da energia nuclear são:

  • não emissão de gases estufa;

  • as usinas necessitam de pouco espaço;

  • a eficiência é muito grande, já que é necessária pouca matéria prima para se obter uma grande quantidade de energia;

  • permite adquirir muita energia em um espaço pequeno e instalações de usinas perto dos centros consumidores, reduzindo o custo de distribuição de energia.

Tudo começou quando Ernest Rutherford descobriu o núcleo atômico. Desde então ele já havia percebido que a estrutura dos núcleos poderia ser modificada a partir do bombardeamento com partículas rápidas. Logo depois, descobriu-se quais serão tais partículas: os nêutrons.

Mais tarde, Enrico Fermi passou a suspeitar que o núcleo de um átomo ficaria cada vez maior com a adição de nêutrons ao mesmo. Porém, Ida Noddak, foi a primeira a suspeitar que durante o bombardeamento de núcleos com nêutrons, esses poderiam se quebrar em pedaços, que são isótopos de elementos conhecidos: mesmo número de prótons, porém com diferente número de nêutrons.

A fissão nuclear foi descoberta por Otto Hahn e Fritz Straßmann em Berlim-1938 e explicada por Lise Meitner e Otto Frisch (ambos em exílio na Suécia) logo depois, com a observação de uma fissão nuclear depois da irradiação de urânio com nêutrons.

A primeira reação em cadeia foi realizada em dezembro de 1942 em um reator de grafite de nome Chicago Pile 1 (CP-1), no contexto do projeto "Manhattan" com a finalidade de construir a primeira bomba atômica, sob a supervisão de Enrico Fermi na Universidade de Chicago.

Desde então, tal tecnologia vem se aperfeiçoando cada vez mais, provando que pode ser largamente utilizada com riscos de acidente razoavelmente menores e com alta eficiência. Aos poucos, esta pode se tornar, quem sabe, a melhor opção para a geração de energia. Ela já é usada em centenas de centrais nucleares em todo o mundo, principalmente em países como a França, Japão, Estados Unidos, Alemanha, Suécia, Espanha, China, Rússia, Coréia do Norte, Paquistão Índia, entre outros. A tendência, portanto, é que a energia nuclear ganhe, aos poucos, cada vez mais espaço em todas as partes do globo.

Os grandes benefícios da indústria nuclear não são muito divulgados. A cada dia novas técnicas nucleares são desenvolvidas nos diversos campos da atividade humana, possibilitando a execução de tarefas impossíveis de serem realizadas pelos meios convencionais. Dentro das áreas beneficiadas, a medicina, a indústria, principalmente a farmacêutica, e a agricultura são as áreas mais beneficiadas. A grande utilização dessa energia se dá devido à propriedade dos isótopos radioativos, ou radioisótopos, de emitirem radiações, estas radiações podem atravessar a matéria ou serem absorvidas por ela, o que possibilita várias aplicações, tais como:

  • na saúde, para diagnosticar doenças, substâncias radioativas são injetadas no corpo humano e são absorvidas por órgãos como os rins e o cérebro. Depois, o paciente é monitorado e as imagens mostram se há problemas nesses órgãos (Radioterapia, Iodo-131);

  • a indústria farmacêutica esteriliza com radiação as seringas plásticas, luvas, gaze e outros materiais, eliminando-se microorganismos que poderiam provocar algum tipo de contaminação nos pacientes;

  • na pecuária, marcadores radioativos colocados no alimento de animais permitem estudar sua digestão para descobrir quais os melhores alimentos para eles;

  • para geração de eletricidade, com as usinas termonucleares, a energia do núcleo dos átimos é usada para aquecer a água e formar vapor que então aciona as turbinas e gera energia elétrica;

  • na agricultura, já que irradiar alimentos é uma forma de conservá-los recomendada pela Organização Mundial da Saúde. Elas evitam doenças na cebola, batata e alho, eliminam fungos de morangos e tomates, atrasam o amadurecimento de bananas, evitam insetos em careais e conservam carne, leite e sucos;

  • uso bélico, pois com o domínio sobre a energia do átomo também serviu para uso militar, como o desenvolvimento de armamentos, como a bomba atômica. Por meio de tratados internacionais, a ONU, Organização das Nações Unidas, através da Organização Internacional de Energia Atômica, monitora o uso da energia nuclear para fins bélicos.

  1. Processo de Produção de Energia

Na energia nuclear, todo o processo de geração de energia se baseia na energia contida no interior do núcleo dos átomos.

O núcleo é constituído de uma quantidade fixa de prótons, dependendo do elemento, e uma quantidade variável de nêutrons. Elementos com o mesmo número de prótons e diferentes números de nêutrons são chamados isótopos.

Os prótons possuem carga positiva e os nêutrons, não possuem carga. Os últimos servem para “minimizar” a tensão entre os prótons, já que, como estes possuem a mesma carga e se encontram juntos e compactados dentro do núcleo, segundo a física a tendência é eles se repelirem. Isto, porém, não acontece, pois prótons e nêutrons são mantidos juntos no núcleo por forças, até o momento, não totalmente identificadas. A energia que mantêm tais partículas (nucleons) juntas no núcleo é a chamada energia nuclear.

Urânio

O urânio-235, por analogia, é chamado de combustível nuclear, porque pode substituir o óleo ou o carvão, para gerar calor.

Não há diferença entre a energia gerada por uma fonte convencional (hidroelétrica ou térmica) e a energia elétrica gerada por um Reator Nuclear.

O urânio 235 é o isótopo de urânio utilizado nas usinas nucleares, porém, este ocorre em quantidades muito pequenas na natureza, enquanto o urânio -238 (seu isótopo) ocorre em quantidades bem maiores (para cada 1.000 átomos de urânio, 7 são de urânio-235 e 993 são de urânio-238).

Para que se possa gerar energia, é necessário haver uma determinada concentração mínima de urânio-235. Nos Reatores Nucleares do tipo PWR (mais comuns), é necessário haver a proporção de 32 átomos de urânio-235 para 968 átomos de urânio-238, em cada grupo de 1.000 átomos de urânio,ou seja, 3,2% de urânio-235.

Esta concentração, embora pareça pequena, não é geralmente encontrada na natureza, tendo, portanto, o urânio, tendo que passar por um processo industrial conhecido como enriquecimento de urânio. Este processo se baseia, na retirada de urânio-238 do urânio natural, aumentando assim a proporção de urânio-235. Os principais processos de enriquecimento são: difusão gasosa, ultracentrifugação, jato centrífugo e um processo a laser.

O urânio utilizado é processado em formas de pastilhas, que são agrupadas em varetas de combustível, são montadas em feixes, numa estrutura denominada elemento combustível. Tais varetas são muito resistentes, pois não deixam escapar o material nelas contido (que é radioativo e, portanto, muito perigoso) e suportam altas temperaturas. Estas são a principal barreira para que o material radioativo proveniente de usinas nucleares não escape para o meio ambiente.

O urânio-235 não é o único combustível possível para uma usina de energia. Podem também ser utilizados outros elementos radioativos como o Tório (normalmente usado como combustível adicional) e o Actínio (é altamente radioativo - possui radioatividade 150 vezes maior que a do Urânio).

Fissão Nuclear

A chave para a liberação dessa energia contida no núcleo é a fissão nuclear. Esta consiste na divisão do núcleo de um átomo pesado, por exemplo, do urânio-235 (mais utilizado em usinas nucleares), em dois menores a partir de um bombardeamento de nêutrons. Em cada reação de fissão nuclear resulta, além dos núcleos menores (isótopos), dois a três nêutrons, como conseqüência da absorção do nêutron que causou a fissão.

Torna-se, então, possível que esses nêutrons atinjam outros núcleos de urânio-235, sucessivamente, liberando muita energia tanto na forma de radiações gama, como de calor. Tal processo é denominado reação de fissão nuclear em cadeia ou, simplesmente, reação em cadeia.

Em uma usina, essas reações ocorrem dentro de um reator nuclear. Nesses reatores, há um sistema que possibilita a controle das reações de fissão nuclear em cadeia, evitando assim explosões (já que a bomba atômica se baseia nessas mesmas reações, porém, elas ocorrem, nesse caso, sem controle). A forma de controlar a reação em cadeia consiste na eliminação do agente causador da fissão: o nêutron. Não havendo nêutrons disponíveis, não pode haver reação de fissão em cadeia.

Alguns elementos químicos, como o boro, na forma de ácido bórico ou de metal, e o cádmio, em barras metálicas, têm a propriedade de absorver nêutrons, porque seus núcleos podem conter ainda um número de nêutrons superior ao existente em seu estado natural, resultando na formação de isótopos de boro e de cádmio. Estas são introduzidas no elemento combustível quando há necessidade de cessar a reação em cadeia produzida a partir do bombardeamento de nêutrons.

Portanto, quando as barras de controle estão totalmente para fora, o reator está trabalhando no máximo de sua capacidade de gerar energia térmica. Já quando elas estão totalmente dentro da estrutura do elemento combustível, o reator está “parado” (não há reação de fissão em cadeia).

Os elementos combustíveis são colocados dentro de um grande vaso de aço, denominado vaso de pressão do reator. Este é montado sobre uma estrutura de concreto, com cerca de 5 m de espessura na base. Esse vaso também contribuiu para impedir a saída de material radioativo para o meio ambiente.

As reações de fissão nuclear ocorrem na presença de água, pois esta é uma “barreira” para a radiação. Quando as reações de fissão nuclear ocorrem, a água atinge temperaturas em torno de 320oC e não evapora (seu ponto de ebulição é 100oC, portanto, o normal seria que ela já tivesse virado vapor a essa temperatura), pois está sob uma pressão 157 vezes mais alta que a pressão atmosférica, graças a uma estrutura denominada pressurizador.

Figura 1: Sistema de geração de energia nuclear.

O sistema de geração de energia (Figura 1) é baseado em um circuito primário e um circuito secundário, para evitar a passagem de radiação para o meio ambiente, já que as águas do circuito primário e secundário não entram em contato, apenas trocam calor. Sendo assim, a água do circuito primário nunca sai do sistema e é extremamente radioativa, já que está em contato direto com os elementos combustíveis.

Como se pode analisar no esquema mostrado, a geração de energia é convencional, com a diferença que o vapor que move a turbina e consequentemente o reator elétrico, é gerado a partir da energia liberada por reações nucleares: a água pressurizada do circuito primário com temperaturas maiores que 300oC entra em contato com a água não pressurizada do circuito secundário que não é pressurizada, e portanto, evapora a essa temperatura, gerando assim o vapor, que move a turbina a uma velocidade de 1.800 rpm.

Esse vapor, depois de mover a turbina, passa por um condensador, onde 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.

Vale ressaltar que o vaso de pressão do reator e o gerador de vapor são instalados em uma grande “carcaça” de aço. Esse envoltório, construído para manter contidos os gases ou vapores possíveis de serem liberados durante a operação do reator, é denominado contenção.

Existe, ainda, um último envoltório, de concreto, revestindo a contenção: o próprio edifício do reator. Este tem a função principal de proteger contra impactos externos, como explosões, queda de aviões, entre outros. A ausência de estruturas de contenção, como as duas últimas citadas, em usinas de energia nuclear russas permitiu que material radioativo escapasse no acidente em Chernobyl.

A contenção e o edifício do reator também contribuem para que não haja saída de material radioativo para o meio ambiente.

  1. Energia nuclear no mundo

Durante alguns anos a energia nuclear foi vista como a esperança da humanidade em uma energia praticamente inesgotável, visto que 10 kg de óxido de urânio são capazes de produzir a mesma energia que 1 tonelada de petróleo e 1500 toneladas de carvão. Contudo, acidentes como o de Chernobyl, a falta de solução definitiva para o lixo e o alto custo frearam esse entusiasmo. O interesse pela energia nuclear voltou a crescer recentemente visto o volume de energia que se gera sem maiores emissões de poluentes, num espaço físico reduzido. Outra questão que está trazendo a questão nuclear a foco é a necessidade do não agravamento do efeito estufa. A utilização da energia nuclear está sendo tão produtiva que países como Itália estão retomando seus programas nucleares, a fim de se reduzir tanto os custos quanto as emissões geradas para a produção de energia.

De acordo com IAEA – Agência Internacional de Energia Atômica – a capacidade nuclear instalada em 2009 (maio) era de 370.221 GWh. Em 2008 os EUA foram o país que mais gerou energia por fonte nuclear, sendo responsável por 32% da produção total de energia nuclear no mundo, enquanto que o Brasil foi responsável por apenas 0,52%.

Gráfico 1: Geração de Energia Elétrica por Fonte Nuclear em GWh – 2008. Fonte: Nucleonics Week, Mar. 2009

Segundo o relatório International Status and Prospects of Nuclear Power de dezembro de 2008 elaborado pela IAEA – Agência Internacional de Energia Atômica – existem atualmente 436 reatores comerciais em operação em 31 países que representam 2/3 da população mundial, sendo estes responsáveis por 14% da produção de energia elétrica no mundo, colocando a energia nuclear como a terceira maior fonte de energia, atrás do carvão e do gás natural. Dentre os maiores parques geradores, destacam-se os Estados Unidos com 104 unidades, a França com 59 reatores e o Japão com 55.

Gráfico 2: Reatores em Operação por País. Fonte: AIEA, jan. 2009.

Devido às vantagens energéticas, econômicas e ambientais, 14 países, que representam metade da população mundial estão construindo 45 novos reatores com capacidade total de 39,88 GW.

Gráfico 3: Reatores em Construção – Separados por País. Fonte: AIEA, Mai 2009.

Atualmente no mundo, a participação da energia nuclear ainda é pequena, se comparada com a grande quantidade de centrais térmicas baseadas no carvão, principal matéria prima energética do início do século, e do óleo, derivado do petróleo. Apesar disso, a energia nuclear vem aumentando seu percentual de participação na geração de energia de vários países, como é o caso do Brasil.

Mohamed El-Baradei, diretor geral da Agência Internacional de Energia Atômica declarou que atualmente cerca de 50 países visam ter fontes energéticas nucleares, e que as potências em expansão querem multiplicar o número de usinas em seu território. Muitos governos consideram a ampliação internacional da energia nuclear uma opção à mudança climática e uma alternativa às oscilações do preço dos produtos energéticos, além de ser uma proteção à incerteza sobre os combustíveis fósseis, mas a iminente expansão da energia nuclear em todo mundo requer que os governos atuem com responsabilidade nessa empreitada. Alguns cientistas e ambientalistas, tais como James Lovelock, tendo em vista a velocidade com que a temperatura da Terra está aumentando por causa da queima volumosa de combustíveis como carvão mineral, gasolina e gás natural, defendem a construção de mais usinas atômicas. Eles propõem a ampliação de usinas nucleares enquanto são procuradas e desenvolvidas outras soluções alternativas.

As principais barreiras à opção nuclear dizem respeito à segurança das plantas, à deposição de rejeitos radioativos e à proliferação de armas nucleares, além dos custos de construção e manutenção. Porém estas barreiras vêm sendo diminuídas devido à utilização de tecnologias, pesquisas intensas e novas gerações de geradores que aumentarão a segurança e diminuirá o custo, a fim de se obter o mínimo risco possível e convencer a população de que uma usina nuclear se conduzida de forma correta, pode ser uma excelente fonte de energia no futuro.

  1. Energia nuclear no Brasil

Em um cenário no qual a preocupação com o aumento do efeito estufa, a alta demanda energética, os preços dos hidrocarbonetos e a busca pela segurança de suprimento energético crescem, a opção energia nuclear é repensada. Esta, apesar de não possuir uma boa reputação quando se trata da opinião pública, pode desempenhar papel importante nas próximas décadas na geração de energia elétrica, não só em termos de Brasil, mas mundialmente.

O Brasil é eminentemente abastecido por energia hidrelétrica cuja geração representou mais de 90% do total. Espera-se um forte crescimento econômico até 2030, conforme dados do International Energy Outlook 2008, e, da mesma forma, grande aumento do consumo de energia elétrica. A capacidade de geração de energia elétrica no Brasil está disposta no Gráfico 5 e na Tabela 1.

Gráfico 5: Matriz de energia elétrica - Capacidade Instalada. Fonte: ANEEL, 2009.

Tabela 1: Produção de energia elétrica por fonte (sistema interligado). Fonte: NOS,2009.

Os planos de diversificação da matriz elétrica brasileira (conforme dados da Empresa de Pesquisa Energética - EPE) prevêem além da construção de usinas com outras fontes de combustível, a construção de 4 a 8 usinas nucleares num horizonte até 2030, localizadas no nordeste e no sudeste do país. Definições de sítios, tipos de reator e outras questões estão em estudos preliminares.

Reservas de Urânio

O Brasil possui boas reservas de urânio, com cerca de 5% do total mundial. Porém apenas 25% do seu território foi até agora prospectado (INB, 2006).

A unidade de produção inicial foi em Poços de Caldas – MG, porém esta foi desativada em 1997. Hoje opera a unidade de Caetité, em Lagoa Real (BA), a qual produz anualmente 400 t de concentrado de urânio, com projeto de duplicação em execução. Existe também uma mina, Itataia, em Santa Quitéria - CE, com minério associado ao fosfato, 11% de P2O5 e 998 ppm de U3O8 e na qual há possibilidade de aproveitamento também de cerca de 300 milhões de m³ de mármore, isento de urânio. Embora seja a maior reserva de urânio que o país possui, sua viabilidade econômica é dependente da exploração do fosfato associado, utilizado na produção de ácido fosfórico, empregado na produção de fertilizantes (INB, 2006).

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