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Energia Nuclear Apostila educativa

Por ELIEZER DE MOURA CARDOSO Colaboradores: Ismar Pinto Alves JosØ Mendonça de Lima Pedro Paulo de Lima e Silva ClÆudio Braz Sonia Pestana

Comissªo Nacional de Energia Nuclear

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Energia Nuclear

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ENERGIA, 4 MatØria e Energia, 5 Uso da Energia, 6 Conversªo de Energia, 6 Conversªo para Energia ElØtrica, 7

ESTRUTURA DA MATÉRIA, 8 Estrutura do Nœcleo, 9 O `tomo, 9

A ENERGIA NUCLEAR, 10 Utilizaçªo da Energia Nuclear, 10 Fissªo Nuclear, 1 Reaçªo em Cadeia, 1 Isótopos, 12 Enriquecimento de Urânio, 13 Urânio Enriquecido, 13 Controle da Reaçªo de Fissªo Nuclear em Cadeia, 14

O REATOR NUCLEAR, 15 Reator Nuclear e Bomba Atômica, 16 O Combustível Nuclear, 16 Varetas de Combustível, 17 O Reator Nuclear existente em Angra, 17 Barras de Controle, 18 Vaso de Pressªo, 18 Circuito SecundÆrio, 19 Circuito PrimÆrio, 19 IndependŒncia entre os sistemas de refrigeraçªo, 20 A Contençªo, 20 Edifício do Reator, 21

A SEGURANA DOS REATORES NUCLEARES, 2 Acidente Nuclear - definiçªo, 2 Filosofia de Segurança, 2 Sistemas Ativos de Segurança, 2 Projeto de uma Usina Nuclear, 23 Controle de Qualidade, 23 Operaçªo, 23 Vazamentos em Reatores Nucleares, 24 Fiscalizaçªo e Auditoria, 24 Acidente Nuclear em Three Miles Island, 25 O Reator Nuclear de Chernobyl, 26

O Acidente de Chernobyl, 27

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De um modo geral, a energia pode ser definida como capacidade de realizar trabalho ou como o resultado da realizaçªo de um trabalho. Na prÆtica, a energia Ø melhor sentida do que definida. Quando se olha para o Sol, tem-se a sensaçªo de que ele Ø dotado de muita energia, devido à luz e ao calor que emite constantemente.

Existem vÆrias formas ou modalidades de energia: a)Energia cinØtica: associada ao movimento dos corpos. b)Energia potencial: armazenada num corpo material ou numa posiçªo no espaço e que pode ser convertida em energia sensível a partir de uma modificaçªo de seu estado, podendo ser citadas, por exemplo, a energia potencial gravitacional, energia química, energia de combustíveis e a energia existente nos Ætomos. c)Luz e Calor sªo duas outras modalidades de energia: energia luminosa e energia tØrmica, fÆceis de serem sentidas .

Formas de Energia

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percebida por meio de sua atraçªo sobre alguns materiais, como o ferro.

d) Outras formas de energia, como a energia magnØtica (ímª). Esta só pode ser

MatØria e Energia

Se um carro, a uma velocidade de 30 km/h, bater em um muro, vai ficar todo amassado e quase nada vai acontecer com o muro. Se um caminhªo carregado, tambØm a 30 km/h, bater no mesmo muro, vai arrebentÆ-lo e o caminhªo quase nada sofrerÆ. Isso significa que, quanto maior a massa, maior a energia associada ao movimento.

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Conversªo de Energia

Uso da Energia

A humanidade tem procurado usar a energia que a cerca e a energia do próprio corpo, para obter maior conforto, melhores condiçıes de vida, maior facilidade de trabalho, etc. Para a fabricaçªo de um carro, de um caminhªo, de uma geladeira ou de uma bicicleta, Ø preciso ter disponível muita energia elØtrica, tØrmica e mecânica. A energia elØtrica Ø muito importante para as indœstrias, porque torna possível a iluminaçªo dos locais de trabalho, o acionamento de motores, equipamentos e instrumentos de mediçªo. Para todas as pessoas, entre outras aplicaçıes, serve para iluminar as ruas e as casas, para fazer funcionar os aparelhos de televisªo, os eletrodomØsticos e os elevadores. Por todos esses motivos, Ø interessante converter outras formas de energia em energia elØtrica.

Um bom exemplo de conversªo de uma forma de energia em outra Ø o nosso corpo.

A energia liberada pelas reaçıes químicas que ocorrem nos diversos órgªos (estômago, intestinos, fígado, mœsculos, sangue, etc.) Ø convertida em açıes ou movimentos (andar, correr, trabalhar, etc.). Nesses casos, a energia química Ø convertida em energia cinØtica.

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Quando suamos, estamos eliminando o excesso de energia recebida pelo nosso corpo (exposiçªo ao Sol, por exemplo) ou gerado por uma taxa anormal de reaçıes químicas dentro dele, para que sua temperatura permaneça em um valor constante de 36,5 oC. Esse calor Ø o resultado da transformaçªo da energia química em energia tØrmica.

Conversªo para Energia ElØtrica

Numa Usina HidroelØtrica, converte-se em eletricidade a energia de movimento de correntes de Ægua. O dispositivo de conversªo Ø formado por uma turbina acoplada a um gerador. Uma turbina para geraçªo de energia elØtrica Ø constituída de um eixo, dotado de pÆs. Estas podem ser acionadas por Ægua corrente e, entªo, o seu eixo entra em rotaçªo e move a parte interna do gerador, fazendo aparecer, por um fenômeno denominado induçªo eletromagnØtica, uma corrente elØtrica nos fios de sua parte externa.

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Se as pÆs forem movidas por passagem de vapor, obtido por aquecimento de Ægua, como se fosse uma grande chaleira, tem-se, entªo, uma Usina TermelØtrica. O calor pode ser gerado pela queima de óleo combustível, carvªo ou gÆs.

O ferro Ø um material, ou melhor, um elemento químico bastante conhecido e fÆcil de ser encontrado. Se triturarmos uma barra de ferro, obteremos pedaços cada vez menores, atØ atingirmos um tamanho mínimo, que ainda apresentarÆ as propriedades químicas do ferro. Essa menor estrutura, que apresenta ainda as propriedades de um elemento químico, Ø denominada TOMO, que significa indivisível.

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O `tomo

Por muito tempo, pensou-se que o Ætomo, na forma acima definida, seria a menor porçªo da matØria e teria uma estrutura compacta. Atualmente, sabemos que o Ætomo Ø constituído por partículas menores (sub-atômicas), distribuídas numa forma semelhante à do Sistema Solar. Existe um nœcleo, onde fica concentrada a massa do Ætomo, equivalente ao Sol, e minœsculas partículas que giram em seu redor, denominadas elØtrons, correspondentes aos planetas. Os elØtrons sªo partículas de carga negativa e massa muito pequena. O Ætomo possui tambØm, como o Sistema Solar, grandes espaços vazios, que podem ser atravessados por partículas menores que ele.

O nœcleo do Ætomo Ø constituído de partículas de carga positiva, chamadas prótons, e de partículas de mesmo tamanho mas sem carga, denominadas nŒutrons. Prótons e nŒutrons sªo mantidos juntos no nœcleo por forças, atØ o momento, nªo totalmente identificadas.

Estrutura do Nœcleo

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Os prótons tŒm a tendŒncia de se repelirem, porque tŒm a mesma carga (positiva). Como eles estªo juntos no nœcleo, comprova-se a realizaçªo de um trabalho para manter essa estrutura, implicando, em conseqüŒncia, na existŒncia de energia no nœcleo dos Ætomos com mais de uma partícula. A energia que mantØm os prótons e nŒutrons juntos no nœcleo Ø a ENERGIA NUCLEAR.

Uma vez constatada a existŒncia da energia nuclear, restava descobrir como utilizÆ-la. A forma imaginada para liberar a energia nuclear baseou-se na possibilidade de partir-se ou dividir-se o nœcleo de um Ætomo pesado , isto Ø, com muitos prótons e nŒutrons, em dois nœcleos menores, atravØs do impacto de um nŒutron. A energia que mantinha juntos esses nœcleos menores, antes constituindo um só nœcleo maior, seria liberada, na maior parte, em forma de calor (energia tØrmica).

Utilizaçªo da Energia Nuclear

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A divisªo do nœcleo de um Ætomo pesado, por exemplo, do urânio-235, em dois menores, quando atingido por um nŒutron, Ø denominada fissªo nuclear. Seria como jogar uma bolinha de vidro (um nŒutron) contra vÆrias outras agrupadas (o nœcleo).

Fissªo Nuclear

Reaçªo em Cadeia

Na realidade, em cada reaçªo de fissªo nuclear resultam, alØm dos nœcleos menores, dois a trŒs nŒutrons, como conseqüŒncia da absorçªo do nŒutron que causou a fissªo. Torna-se, entªo, possível que esses nŒutrons atinjam outros nœcleos de urânio-235, sucessivamente, liberando muito calor. Tal processo Ø denominado reaçªo de fissªo nuclear em cadeia ou, simplesmente, reaçªo em cadeia.

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Urânio-235 e Urânio-238

O urânio-235 Ø um elemento químico que possui 92 prótons e 143 nŒutrons no nœcleo. Sua massa Ø, portanto, 92 + 143 = 235. AlØm do urânio-235, existem na natureza, em maior quantidade, Ætomos com 92 prótons e 146 nŒutrons (massa igual a 238). Sªo tambØm Ætomos do elemento urânio, porque tŒm 92 prótons, ou seja, nœmero atômico 92. Trata-se do urânio-238, que só tem possibilidade de sofrer fissªo por nŒutrons de elevada energia cinØtica (os nŒutrons rÆpidos ). JÆ o urânio-235 pode ser fissionado por nŒutrons de qualquer energia cinØtica, preferencialmente os de baixa energia, denominados nŒutrons tØrmicos ( lentos ).

Isótopos Sªo Ætomos de um mesmo elemento químico que possuem massas diferentes.

Urânio-235 e urânio-238 sªo isótopos de urânio.

Muitos outros elementos apresentam essa característica, como, por exemplo, o HidrogŒnio, que tem trŒs isótopos: HidrogŒnio, DeutØrio e Trítio.

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Urânio Enriquecido

A quantidade de urânio-235 na natureza Ø muito pequena: para cada 1.0 Ætomos de urânio, 7 sªo de urânio-235 e 993 sªo de urânio-238 (a quantidade dos demais isótopos Ø desprezível). Para ser possível a ocorrŒncia de uma reaçªo de fissªo nuclear em cadeia, Ø necessÆrio haver quantidade suficiente de urânio-235, que Ø fissionado por nŒutrons de qualquer energia, como jÆ foi dito. Nos Reatores Nucleares do tipo PWR, Ø necessÆrio haver a proporçªo de 32 Ætomos de urânio-235 para 968 Ætomos de urânio-238, em cada grupo de 1.0 Ætomos de urânio, ou seja, 3,2% de urânio-235. O urânio encontrado na natureza precisa ser tratado industrialmente, com o objetivo de elevar a proporçªo (ou concentraçªo) de urânio-235 para urânio-238, de 0,7% para 3,2%. Para isso deve, primeiramente, ser purificado e convertido em gÆs.

Enriquecimento de Urânio

O processo físico de retirada de urânio-238 do urânio natural, aumentando, em conseqüŒncia, a concentraçªo de urânio-235, Ø conhecido como Enriquecimento de Urânio. Se o grau de enriquecimento for muito alto (acima de 90%), isto Ø, se houver quase só urânio-235, pode ocorrer uma reaçªo em cadeia muito rÆpida, de difícil controle, mesmo para uma quantidade relativamente pequena de urânio, passando a constituir-se em uma explosªo: Ø a bomba atômica . Foram desenvolvidos vÆrios processos de enriquecimento de urânio, entre eles o da Difusªo Gasosa e da Ultracentrifugaçªo (em escala industrial), o do Jato Centrífugo (em escala de demonstraçªo industrial) e um processo a Laser (em fase de pesquisa). Por se tratarem de tecnologias sofisticadas, os países que as detŒm oferecem empecilhos para que outras naçıes tenham acesso a elas.

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Controle da Reaçªo de Fissªo Nuclear em Cadeia

Descoberta a grande fonte de energia no nœcleo dos Ætomos e a forma de aproveitÆ-la, restava saber como controlar a reaçªo em cadeia, que normalmente nªo pararia, atØ consumir quase todo o material físsil (= que sofre fissªo nuclear), no caso o urânio- 235. Como jÆ foi visto, a fissªo de cada Ætomo de urânio-235 resulta em 2 Ætomos menores e 2 a 3 nŒutrons, que irªo fissionar outros tantos nœcleos de urânio-235. A forma de controlar a reaçªo em cadeia consiste na eliminaçªo do agente causador da fissªo: o nŒutron. Nªo havendo nŒutrons disponíveis, nªo pode haver reaçªo de fissªo em cadeia. Alguns elementos químicos, como o boro, na forma de Æcido bórico ou de metal, e o cÆdmio, em barras metÆlicas, tŒm a propriedade de absorver nŒutrons, porque seus nœcleos podem conter ainda um nœmero de nŒutrons superior ao existente em seu estado natural, resultando na formaçªo de isótopos de boro e de cÆdmio.

A grande aplicaçªo do controle da reaçªo de fissªo nuclear em cadeia Ø nos Reatores Nucleares, para geraçªo de energia elØtrica.

Neste exemplo, quando as barras descem totalmente, a atividade do reator pÆra, porque a reaçªo em cadeia Ø interrompida.

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De uma forma simplificada, um Reator Nuclear Ø um equipamento onde se processa uma reaçªo de fissªo nuclear, assim como um reator químico Ø um equipamento onde se processa uma reaçªo química. Um Reator Nuclear para gerar energia elØtrica Ø, na verdade, uma Central TØrmica, onde a fonte de calor Ø o urânio-235, em vez de óleo combustível ou de carvªo. É, portanto, uma Central TØrmica Nuclear.

A grande vantagem de uma Central TØrmica Nuclear Ø a enorme quantidade de energia que pode ser gerada, ou seja, a potŒncia gerada, para pouco material usado (o urânio).

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O Combustível Nuclear

O urânio-235, por analogia, Ø chamado de combustível nuclear, porque pode substituir o óleo ou o carvªo, para gerar calor. Nªo hÆ diferença entre a energia gerada por uma fonte convencional (hidroelØtrica ou tØrmica) e a energia elØtrica gerada por um Reator Nuclear.

Reator Nuclear e Bomba Atômica

•A bomba ( atômica ) Ø feita para ser possível explodir, ou seja, a reaçªo em cadeia deve ser rÆpida e a quantidade de urânio muito concentrado em urânio-235 (quer dizer, urânio enriquecido acima de 90%) deve ser suficiente para a ocorrŒncia rÆpida da reaçªo. AlØm disso, toda a massa de urânio deve ficar junta, caso contrÆrio nªo ocorrerÆ a reaçªo em cadeia de forma explosiva.

•Um Reator Nuclear, para gerar energia elØtrica, Ø construído de forma a ser impossível explodir como uma bomba atômica. Primeiro, porque a concentraçªo de urânio-235 Ø muito baixa (cerca de 3,2%), nªo permitindo que a reaçªo em cadeia se processe com rapidez suficiente para se transformar em explosªo. Segundo, porque dentro do Reator Nuclear existem materiais absorvedores de nŒutrons, que controlam e atØ acabam com a reaçªo em cadeia, como, por exemplo, na parada do Reator.

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O Reator Nuclear existente em Angra

Um reator nuclear do tipo do que foi construído (Angra 1) e do que estÆ em fase de construçªo (Angra 2) Ø conhecido como PWR (Pressurized Water Reactor = Reator a gua Pressurizada), porque contØm Ægua sob alta pressªo. O urânio, enriquecido a 3,2% em urânio-235, Ø colocado, em forma de pastilhas de 1 cm de diâmetro, dentro de tubos ( varetas ) de 4m de comprimento, feitos de uma liga especial de zircônio, denominada zircalloy .

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