Baixe apostila de medicna nuclear e outras Notas de estudo em PDF para Medicina, somente na Docsity! Energia Nuclear Apostila educativa PorELIEZER DE MOURA CARDOSOColaboradores:Ismar Pinto AlvesJosé Mendonça de LimaPedro Paulo de Lima e SilvaClaudio BrazSonia Pestana Comissão Nacional de Energia NuclearRua General Severiano, 90 - Botafogo - Rio de Janeiro - RJ - CEP 22290-901www.cnen.gov.br Apostila educativaEnergia Nuclear Comissão Nacional de Energia Nuclearwww.cnen.gov.br Página 2 Energia Nuclear Apostila educativaEnergia Nuclear Comissão Nacional de Energia Nuclearwww.cnen.gov.br Página 5 d) Outras formas de energia, como a energia magnética (ímã). Esta só pode ser percebida por meio de sua atração sobre alguns materiais, como o ferro. Matéria 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 caminhão carregado, também a 30 km/h,bater no mesmo muro, vai arrebentá-lo e ocaminhão quase nada sofrerá.Isso significa que, quanto maior a massa, maiora energia associada ao movimento. Apostila educativaEnergia Nuclear Comissão Nacional de Energia Nuclearwww.cnen.gov.br Página 6 Conversão 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 condições de vida, maior facilidade de trabalho, etc.Para a fabricação de um carro, de um caminhão, de uma geladeira ou de uma bicicleta, épreciso ter disponível muita energia elétrica, térmica e mecânica.A energia elétrica é muito importante para as indústrias, porque torna possível a iluminaçãodos locais de trabalho, o acionamento de motores, equipamentos e instrumentos demedição.Para todas as pessoas, entre outras aplicações, serve para iluminar as ruas e as casas,para fazer funcionar os aparelhos de televisão, os eletrodomésticos e os elevadores.Por todos esses motivos, é interessante converter outras formas de energia em energiaelétrica. Um bom exemplo de conversão de uma forma de energia em outra é o nosso corpo.A energia liberada pelas reações químicas que ocorrem nos diversos órgãos (estômago,intestinos, fígado, músculos, sangue, etc.) é convertida em ações ou movimentos (andar,correr, trabalhar, etc.). Nesses casos, a energia química é convertida em energia cinética. Apostila educativaEnergia Nuclear Comissão Nacional de Energia Nuclearwww.cnen.gov.br Página 7 Quando suamos, estamos eliminando o excesso de energia recebida pelo nosso corpo(exposição ao Sol, por exemplo) ou gerado por uma taxa anormal de reações químicasdentro dele, para que sua temperatura permaneça em um valor constante de 36,5 oC.Esse calor é o resultado da transformação da energia química em energia térmica. Conversão para Energia Elétrica Numa Usina Hidroelétrica, converte-se em eletricidade a energia de movimento decorrentes de água. O dispositivo de conversão é formado por uma turbina acoplada a umgerador.Uma turbina para geração de energia elétrica é constituída de um eixo, dotado de pás.Estas podem ser acionadas por água corrente e, então, o seu eixo entra em rotação emove a parte interna do gerador, fazendo aparecer, por um fenômeno denominado induçãoeletromagnética, uma corrente elétrica nos fios de sua parte externa. Apostila educativaEnergia Nuclear Comissão Nacional de Energia Nuclearwww.cnen.gov.br Página 10 A ENERGIA NUCLEAR Os prótons têm a tendência de se repelirem, porque têm a mesma carga (positiva). Comoeles estão juntos no núcleo, comprova-se a existência de uma energia nos núcleos dos átomoscom mais de uma partícula para manter essa estrutura.A energia que mantém os prótons e nêutrons juntos no núcleo é a ENERGIA NUCLEAR, istoé a energia de ligação dos nucleons (partículas do núcleo). Uma vez constatada a existência da energia nuclear, restava descobrir como utilizá-la.A forma imaginada para liberar a energia nuclear baseou-se na possibilidade de partir-seou dividir-se o núcleo de um átomo pesado , isto é, com muitos prótons e nêutrons, emdois núcleos menores, através do impacto de um nêutron. A energia que mantinha juntosesses núcleos menores, antes constituindo um só núcleo maior, seria liberada, na maiorparte, em forma de calor (energia térmica). Utilização da Energia Nuclear Apostila educativaEnergia Nuclear Comissão Nacional de Energia Nuclearwww.cnen.gov.br Página 11 A divisão do núcleo de um átomo pesado, por exemplo, do urânio-235, em dois menores,quando atingido por um nêutron, é denominada fissão nuclear. Seria como jogar umabolinha de vidro (um nêutron) contra várias outras agrupadas (o núcleo). Fissão Nuclear Reação em Cadeia Na realidade, em cada reação de fissão nuclear resultam, além dos núcleos menores,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 muito calor. Tal processo é denominado reação de fissãonuclear em cadeia ou, simplesmente, reação em cadeia. Apostila educativaEnergia Nuclear Comissão Nacional de Energia Nuclearwww.cnen.gov.br Página 12 Urânio-235 e Urânio-238 O urânio-235 é um elemento químico que possui 92 prótons e 143 nêutrons no núcleo.Sua massa é, portanto, 92 + 143 = 235.Além do urânio-235, existem na natureza, em maior quantidade, átomos com 92 prótons e146 nêutrons (massa igual a 238). São também átomos do elemento urânio, porque têm92 prótons, ou seja, número atômico 92. Trata-se do urânio-238, que só tem possibilidadede sofrer fissão por nêutrons de elevada energia cinética (os nêutrons rápidos).Já o urânio-235 pode ser fissionado por nêutrons de qualquer energia cinética,preferencialmente os de baixa energia, denominados nêutrons térmicos (lentos). Isótopos São átomos de um mesmo elemento químico que possuem massas diferentes. Urânio-235 e urânio-238 são isótopos de urânio. Muitos outros elementos apresentam essa característica, como, por exemplo, o Hidrogênio,que tem três isótopos: Hidrogênio, Deutério e Trítio. Apostila educativaEnergia Nuclear Comissão Nacional de Energia Nuclearwww.cnen.gov.br Página 15 O REATOR NUCLEAR De uma forma simplificada, um Reator Nuclear é um equipamento onde se processa umareação de fissão nuclear, assim como um reator químico é um equipamento onde seprocessa uma reação química.Um Reator Nuclear para gerar energia elétrica é, na verdade, uma Central Térmica,onde a fonte de calor é o urânio-235, em vez de óleo combustível ou de carvão. É, portanto,uma Central Térmica Nuclear. A grande vantagem de uma Central Térmica Nuclear é a enorme quantidade de energiaque pode ser gerada, ou seja, a potência gerada, para pouco material usado (o urânio). Apostila educativaEnergia Nuclear Comissão Nacional de Energia Nuclearwww.cnen.gov.br Página 16 O Combustível Nuclear O urânio-235, por analogia, é chamado de combustível nuclear, porque pode substituir oóleo ou o carvão, para gerar calor.Não há diferença entre a energia gerada por uma fonte convencional (hidroelétrica outérmica) e a energia elétrica gerada por um Reator Nuclear. Reator Nuclear e Bomba Atômica • A bomba (atômica) é feita para ser possível explodir, ou seja, a reação em cadeiadeve ser rápida e a quantidade de urânio muito concentrado em urânio-235 (querdizer, urânio enriquecido acima de 90%) deve ser suficiente para a ocorrência rápidada reação. Além disso, toda a massa de urânio deve ficar junta, caso contrário nãoocorrerá a reação em cadeia de forma explosiva. • Um Reator Nuclear, para gerar energia elétrica, é construído de forma a ser impossívelexplodir como uma bomba atômica. Primeiro, porque a concentração de urânio-235 émuito baixa (cerca de 3,2%), não permitindo que a reação em cadeia se processe comrapidez suficiente para se transformar em explosão. Segundo, porque dentro do ReatorNuclear existem materiais absorvedores de nêutrons, que controlam e até acabamcom a reação em cadeia, como, por exemplo, na parada do Reator. Apostila educativaEnergia Nuclear Comissão Nacional de Energia Nuclearwww.cnen.gov.br Página 17 O Reator Nuclear existente em Angra Um reator nuclear do tipo do que foi construído (Angra 1) e do que está em fase deconstrução (Angra 2) é conhecido como PWR (Pressurized Water Reactor = Reator aÁgua Pressurizada), porque contém água sob alta pressão.O urânio, enriquecido a cerca de 3,2% em urânio-235, é 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 As varetas, contendo o urânio, conhecidas como Varetas de Combustível, são montadasem feixes, numa estrutura denominada ELEMENTO COMBUSTÍVEL. As varetas são fechadas, com o objetivo de não deixar escapar o material nelas contido(o urânio e os elementos resultantes da fissão) e podem suportar altas temperaturas.Os elementos resultantes da fissão nuclear (produtos de fissão ou fragmentos dafissão) são radioativos, isto é, emitem radiações e, por isso, devem ficar retidos nointerior do Reator. A Vareta de Combustível é a primeira barreira que servepara impedir a saída de material radioativo para o meio ambiente. Apostila educativaEnergia Nuclear Comissão Nacional de Energia Nuclearwww.cnen.gov.br Página 20 A independência entre o Circuito Primário e o Circuito Secundário tem o objetivo de evitarque, danificando-se uma ou mais varetas, o material radioativo (urânio e produtos defissão) passe para o Circuito Secundário. É interessante mencionar que a própria água doCircuito Primário é radioativa. O Vaso de Pressão do Reator e o Gerador de Vapor são instalados em uma grande carcaçade aço, com 3,8 cm de espessura em Angra 1.Esse envoltório, construído para manter contidos os gases ou vapores possíveis de seremliberados durante a operação do Reator, é denominado Contenção.No caso de Angra 1, a Contenção tem a forma de um tubo (cilindro). Em Angra 2 éesférica. Independência entre os sistemas de refrigeração A Contenção A Contenção é a terceira barreira que serve paraimpedir a saída de material radioativo para o meio ambiente. Apostila educativaEnergia Nuclear Comissão Nacional de Energia Nuclearwww.cnen.gov.br Página 21 Um último envoltório, de concreto, revestindo a Contenção, é o próprio Edifício do Reator.Tem cerca de 1 m de espessura em Angra 1. Edifício do Reator O Edifício do Reator, construído em concreto e envolvendo a Contenção de aço,é a quarta barreira física que serve para impedir a saída de material radioativopara o meio ambiente e, além disso, protege contra impactosexternos (queda de aviões e explosões). Apostila educativaEnergia Nuclear Comissão Nacional de Energia Nuclearwww.cnen.gov.br Página 22 A SEGURANÇA DOS REATORES NUCLEARES Apesar de um Reator Nuclear não poder explodir como uma bomba atômica, isso nãoquer dizer que não seja possível ocorrer um acidente em uma Central Nuclear.Por esse motivo, a construção de uma Usina Nuclear envolve vários aspectos desegurança, desde a fase de projeto até a construção civil, montagem dos equipamentos eoperação. Acidente Nuclear - definição Filosofia de Segurança Um acidente é considerado nuclear, quando envolve uma reação nuclear ou equipamentoonde se processe uma reação nuclear. O perigo potencial na operação dos Reatores Nucleares é representado pela altaradioatividade dos produtos da fissão do urânio e sua liberação para o meio ambiente.A filosofia de segurança dos Reatores Nucleares é dirigida no sentido de que asUsinas Nucleares sejam projetadas, construídas e operadas com os mais elevados padrõesde qualidade e que tenham condições de alta confiabilidade. Sistemas Ativos de Segurança As barreiras físicas citadas constituem um Sistema Passivo de Segurança, isto é, atuam,independentemente de qualquer ação.Para a operação do Reator, Sistemas de Segurança são projetados para atuar, inclusivede forma redundante: na falha de algum deles, outro sistema, no mínimo, atuará,comandando, se for o caso, a parada do Reator. Apostila educativaEnergia Nuclear Comissão Nacional de Energia Nuclearwww.cnen.gov.br Página 25 esse motivo, os vazamentos ocorridos em 1986 (de água) e em 1995 (falhas em varetas),ambos dentro da instalação, não causaram maior preocupação por parte dos operadoresde Angra 1. No segundo caso, a Usina operou ainda por cerca de três meses, sob controle,até a parada prevista para manutenção. Não houve parada de emergência.Em resumo e comparando com um fato do dia a dia: é como se uma torneira de uma piaem um apartamento estivesse com defeito, pingando ou deixando escorrer água (vazando).Existiria um vazamento no apartamento ou até no edifício mas não se deveria dizer queteria havido um vazamento do edifício. Acidente Nuclear em Three Miles Island Duzentos e quarenta e dois reatores nucleares do tipo Angra ( PWR) já foram construídose estão em operação, ocorrendo em um deles um acidente nuclear grave, imaginado emprojeto, sem conseqüências para o meio ambiente. Foi o acidente de Three Miles Island(TMI), nos Estados Unidos.Nesse acidente, vazaram água e vapor do Circuito Primário, mas ambos ficaram retidosna Contenção. Com a perda da água que fazia a refrigeração dos elementos combustíveis,estes esquentaram demais e fundiram parcialmente, mas permaneceram confinados noVaso de Pressão do Reator.Houve evacuação parcial (desnecessária) da Cidade. O Governador recomendou a saídade mulheres e crianças, que retornaram às suas casas no dia seguinte. Ao contrário doesperado, muitas pessoas quiseram ir ver o acidente de perto, sendo contidas por tropasmilitares e pela polícia.Embora o Reator Angra 1 seja do mesmo tipo do de TMI, ele não corre o risco de sofrerum acidente semelhante, porque já foram tomadas as medidas preventivas que impedema repetição das falhas humanas causadoras daquele acidente.O mesmo acidente não poderia ocorrer em Angra 2, porque o projeto já prevê essasfalhas e os meios de evitar que elas aconteçam. Apostila educativaEnergia Nuclear Comissão Nacional de Energia Nuclearwww.cnen.gov.br Página 26 A figura mostra como ficou o Vaso de Pressão de Three Miles Island após o acidente,podendo-se notar os elementos combustíveis e as barras de controle fundidos e que oVaso não sofreu danos. O Reator Nuclear de Chernobyl O Reator de Chernobyl é de um tipo diferente dos de Angra.A maior diferença é devida ao fato de que esse Reator tem grafite no núcleo enão possui Contenção de aço.O combustível é o urânio-235 e o controle da reação de fissão nuclear em cadeia é feitada mesma forma: por meio de barras de controle, absorvedoras de nêutrons.As varetas de combustível são colocadas dentro de blocos de grafite , por onde passamos tubos da água de refrigeração, que vai produzir o vapor para acionar a turbina.A água passa entre as varetas de combustível, onde é gerado o vapor, não havendonecessidade de um gerador de vapor com essa finalidade, como em Angra 1. Esquema gráfico doreator de Chernobyl Apostila educativaEnergia Nuclear Comissão Nacional de Energia Nuclearwww.cnen.gov.br Página 27 As dimensões do Vaso do Reator são muito maiores, por causa da montagem dos blocosde grafite. Por isso, o Edifício do Reator também tem proporções grandes. Ele funcionacomo contenção única, mas não é lacrado. A parte superior do compartimento do Vasodo Reator é uma tampa de concreto.Esse Reator permite que o Sistema de Segurança ( desligamento automático) possaser bloqueado e o Reator passe a ser operado manualmente, não desligandoautomaticamente, em caso de perigo ou de falha humana.Até aqui, já deu para se notar a diferença, em termos de Segurança Ativa e BarreirasPassivas, entre o Reator do tipo Chernobyl e o Reator do tipo Angra. O Acidente de Chernobyl O Reator estava parando para manutenção periódica anual.Estavam sendo feitos testes na parte elétrica com o Reator quase parando, isto é,funcionando à baixa potência. Para que isso fosse possível, era preciso desligar oSistema Automático de Segurança, caso contrário, o Reator poderia pararautomaticamente durante os testes, o que eles não desejavam.Os reatores deste tipo não podem permanecer muito tempo com potência baixa, porqueisso representa riscos muito altos. Ainda assim, a operação continuou desta forma.Os operadores da Sala de Controle do Reator, que não são treinados segundo as normasinternacionais de segurança, não obedeceram aos cuidados mínimos, e assim, acabaramperdendo o controle da operação.