Energia Nuclear - CNEN

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Energia Nuclear Apostila educativa

PorELIEZER DE MOURA CARDOSOColaboradores:Ismar Pinto AlvesJosØ Mendonça de LimaPedro Paulo de Lima e SilvaClaudio BrazSonia Pestana Comissªo Nacional de Energia NuclearRua General Severiano, 90 - Botafogo - Rio de Janeiro - RJ - CEP 22290-901www.cnen.gov.br

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ENERGIA, 4MatØria e Energia, 5Uso da Energia, 6Conversªo de Energia, 6Conversªo para Energia ElØtrica, 7 ESTRUTURA DA MATÉRIA, 8Estrutura do Nœcleo, 9O `tomo, 9

A ENERGIA NUCLEAR, 10Utilizaçªo da Energia Nuclear, 10Fissªo Nuclear, 11Reaçªo em Cadeia, 11Isótopos, 12Enriquecimento de Urânio, 13Urânio Enriquecido, 13Controle da Reaçªo de Fissªo Nuclear em Cadeia, 14

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

A SEGURANA DOS REATORES NUCLEARES, 22Acidente Nuclear - definiçªo, 22Filosofia de Segurança, 22Sistemas Ativos de Segurança, 22Projeto de uma Usina Nuclear, 23Controle de Qualidade, 23Operaçªo, 23Vazamentos em Reatores Nucleares, 24Fiscalizaçªo e Auditoria, 24Acidente Nuclear em Three Miles Island, 25O Reator Nuclear de Chernobyl, 26O Acidente de Chernobyl, 27

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ENERGIA De um modo geral, a energia pode ser definida como capacidade derealizar trabalhoou 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 eque pode ser convertida em energia sensível a partir de uma modificaçªo de seuestado, podendo ser citadas, por exemplo, a energiapotencial gravitacional, energiaquímica, energia de combustíveise a energia existente nos Ætomos.c)Luz e Calorsªo duas outras modalidades de energia: energia luminosa e energiatØrmica, fÆceis de serem sentidas . Formas de Energia

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d) Outras formas de energia, como a energia magnØtica(ímª). Esta só pode serpercebida por meio de sua atraçªo sobre alguns materiais, como o ferro.

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

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Comissªo Nacional de Energia Nuclearwww.cnen.gov.brPÆgina 6 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, Øpreciso ter disponível muita energia elØtrica, tØrmica e mecânica.A energia elØtrica Ø muito importante para as indœstrias, porque torna possível a iluminaçªodos locais de trabalho, o acionamento de motores, equipamentos e instrumentos demediçªo.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 energiaelØtrica. 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 químicasdentro dele, para que sua temperatura permaneça em um valor constante de 36,5 oC.Esse calor Ø o resultado da transformaçªo da energia químicaem energia tØrmica.

Conversªo para Energia ElØtrica Numa Usina HidroelØtrica, converte-se em eletricidade a energia de movimento decorrentes de Ægua. O dispositivo de conversªo Ø formado por uma turbina acoplada a umgerador.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 emove a parte interna do gerador, fazendo aparecer, por um fenômeno denominado induçªoeletromagnØtica, 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, comose fosse uma grande chaleira, tem-se, entªo, uma Usina TermelØtrica. O calor pode sergerado pela queima de óleo combustível, carvªo ou gÆs.

O ferro Ø um material, ou melhor, um elemento químico bastante conhecido e fÆcil de serencontrado.Se triturarmos uma barra de ferro, obteremos pedaços cada vez menores, atØ atingirmosum tamanho mínimo, que ainda apresentarÆ as propriedades químicas do ferro. Essamenor estrutura, que apresenta ainda as propriedades de um elemento químico, Ødenominada TOMO, que significa indivisível. ESTRUTURA DA MATÉRIA

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O `tomo Por muito tempo, pensou-se que o Ætomo, na forma acima definida, seria a menor porçªoda matØria e teria uma estrutura compacta. Atualmente, sabemos que o Ætomo Ø constituídopor partículas menores (sub-atômicas), distribuídas numa forma semelhante à do SistemaSolar.Existe um nœcleo, onde fica concentrada a massa do Ætomo, equivalente ao Sol, eminœsculas partículas que giram em seu redor, denominadas elØtrons, correspondentesaos 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 seratravessados por partículas menores que ele.

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

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A ENERGIA NUCLEAR Os prótons tŒm a tendŒncia de se repelirem, porque tŒm a mesma carga (positiva). Comoeles estªo juntos no nœcleo, comprova-se a existŒncia de uma energia nos nœcleos dos Ætomoscom mais de uma partícula para manter essa estrutura.A energia que mantØm os prótons e nŒutrons juntos no nœcleo Ø a ENERGIA NUCLEAR, istoØ a energia de ligaçªo dos nucleons (partículas do nœcleo).

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-seou dividir-se o nœcleo de um Ætomo pesado , isto Ø, com muitos prótons e nŒutrons, emdois nœcleos menores, atravØs do impacto de um nŒutron. A energia que mantinha juntosesses nœcleos menores, antes constituindo um só nœcleo maior, seria liberada, na maiorparte, 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 umabolinha 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 fissªonuclear 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 e146 nŒutrons (massa igual a 238). Sªo tambØm Ætomos do elemento urânio, porque tŒm92 prótons, ou seja, nœmero atômico 92. Trata-se do urânio-238, que só tem possibilidadede 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 sªoisótopos de urânio.

Muitos outros elementos apresentam essa característica, como, por exemplo, oHidrogŒnio,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 deurânio, 7 sªo de urânio-235 e 993 sªo de urânio-238 (a quantidade dos demais isótoposØ desprezível).Para ser possível a ocorrŒncia de uma reaçªo de fissªo nuclear em cadeia, Ø necessÆriohaver quantidade suficiente de urânio-235, que Ø fissionado por nŒutrons de qualquerenergia, como jÆ foi dito.Nos Reatores Nucleares do tipo PWR, Ø necessÆrio haver a proporçªo de 32 Ætomosde 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 deelevar 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, emconseqüŒncia, a concentraçªo de urânio-235, Ø conhecido como Enriquecimento deUrânio.Se o grau de enriquecimento for muito alto (acima de 90%), isto Ø, se houver quase sóurânio-235, pode ocorrer uma reaçªo em cadeia muito rÆpida, de difícil controle,mesmo para uma quantidade relativamente pequena de urânio, passando a constituir-seem uma explosªo: Ø a bomba atômica .Foram desenvolvidos vÆrios processos de enriquecimento de urânio, entre eles o daDifusªo Gasosa e daUltracentrifugaçªo(em escala industrial), o do Jato Centrífugo(em escala de demonstraçªo industrial) e um processo aLaser (em fase de pesquisa).Por se tratarem de tecnologias sofisticadas, os países que as detŒm oferecem empecilhospara 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, atØconsumir quase todo omaterial 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 2a 3 nŒutrons, que irªo fissionar outros tantos nœcleos de urânio-235. A forma de controlara reaçªo em cadeia consiste na eliminaçªo do agente causador da fissªo: o nŒutron. Nªohavendo 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 ocÆdmio, em barras metÆlicas, tŒm a propriedade de absorver nŒutrons, porque seusnœcleos podem conter ainda um nœmero de nŒutrons superior ao existente em seu estadonatural, resultando na formaçªo de isótopos de boro e de cÆdmio.

A grande aplicaçªo do controle da reaçªo de fissªo nuclear em cadeia Ø nosReatoresNucleares, para geraçªo de energia elØtrica. Neste exemplo, quando asbarras descem totalmente, aatividade do reator pÆra,porque a reaçªo em cadeia Øinterrompida.

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O REATOR NUCLEAR De uma forma simplificada, um Reator Nuclear Ø um equipamento onde se processa umareaçªo de fissªo nuclear, assim como um reator químico Ø um equipamento onde seprocessa 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 energiaque 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 oóleo ou o carvªo, para gerar calor.Nªo hÆ diferença entre a energia gerada por uma fonte convencional (hidroelØtrica outØrmica) 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 cadeiadeve ser rÆpida e a quantidade de urânio muito concentrado em urânio-235 (querdizer, urânio enriquecido acima de 90%) deve ser suficiente para a ocorrŒncia rÆpidada reaçªo. AlØm disso, toda a massa de urânio deve ficar junta, caso contrÆrio nªoocorrerÆ a reaçªo em cadeia de forma explosiva.

•Um Reator Nuclear, para gerar energia elØtrica, Ø construído de forma a ser impossívelexplodir como uma bomba atômica. Primeiro, porque a concentraçªo de urânio-235 Ømuito baixa (cerca de 3,2%), nªo permitindo que a reaçªo em cadeia se processe comrapidez suficiente para se transformar em explosªo. Segundo, porque dentro do ReatorNuclear existem materiais absorvedores de nŒutrons, que controlam e atØ acabamcom 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 deconstruçªo (Angra 2) Ø conhecido comoPWR (Pressurized Water Reactor = Reator agua Pressurizada), porque contØm Ægua sob alta pressªo.O urânio, enriquecido a cerca de 3,2% em urânio-235, Ø colocado, em forma de pastilhasde 1 cm de diâmetro, dentro de tubos ( varetas ) de 4m de comprimento, feitos de uma ligaespecial de zircônio, denominada zircalloy . Varetas de Combustível

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