Energia nuclear

Energia nuclear

(Parte 1 de 3)

Universidade Federal de São João Del Rei Curso de Engenharia Elétrica

Componentes:

Douglas Eugenio da Cruz Geovani Nogueira Silva Marcela Ribeiro Pereira Neves Ramon Alexandre Batista Tatiane Santos de Oliveira

Professor responsável: Gleison Fransoares V. Amaral

1-Usinas nucleares4
1.1-Funcionamento de uma usina nuclear4
1.2-Vantagens das usinas nucleares8
1.3-Desvantagens9
1.4-Segurança9
1.5-Novas tecnologias10
2-Impactos Ambientais1
2.1-Alguns dos mais relevantes acontecimentos radioativos1
2.2-Resíduos Nucleares12
3-Utilização energia nuclear15
3.1-Energia Nuclear no Mundo15
3.2-Energia Nuclear no Brasil17
4-Aspectos socioeconômicos19
4.1-Análise do perfil de consumo de Energia Elétrica no Brasil19
4.2-Aspectos geoeconômicos e sociais23
5-Conclusão27

Introdução

A energia nuclear é atualmente a segunda mais utilizada na produção de energia elétrica, e é alvo de muitas discussões em relação as suas vantagens e desvantagens. Muitas pessoas consideram que a energia nuclear é bastante nociva por produzir resíduos radioativos, por haver perigo de vazamento e explosões nas indústrias nucleares e pelo fato de sua tecnologia poder ser utilizada para a criação de bombas atômicas, mas alguns ambientalistas a consideram como uma fonte de energia limpa, pois no processo de conversão de energia não são emitidos gases nocivos a camada de ozônio.

Neste trabalho será desenvolvido um estudo sobre a energia nuclear, seu processo de conversão para energia elétrica e seus aspectos socioeconômicos, com objetivo de mostrar suas vantagens e desvantagens e utilização no mundo que a cada dia mais se torna uma opção vantajosa em relação às outras, pois os insumos necessários ao processo existem em abundância no planeta e não agravam o efeito estufa.

1-Usinas nucleares

1.1-Funcionamento de uma usina nuclear

Uma usina nuclear (ou central nuclear) é uma instalação industrial empregada para produzir eletricidade a partir de energia nuclear, que se caracteriza pelo uso de materiais radioativos que servem como combustíveis para uma reação nuclear. O calor liberado pela reação é usado para gerar o vapor que serve para girar as turbinas do gerador eletromagnético.

O elemento radioativo mais usado para exploração da energia nuclear é o

Urânio, um metal de símbolo U, número atômico 92, massa atômica 238,07, e densidade de 18,7, extraído do óxido de urânio. Trata-se de um sólido cinza-ferro, que funde a 1800°C e se oxida facilmente. O óxido uranoso, ou urano, UO2, é um sólido negro, de propriedades básicas, a que correspondem os sais uranosos, verdes. É encontrado na natureza na forma de um mineral de forma abundante, sendo muito mais abundante do que a prata. O urânio é o elemento radioativo mais usado nas aplicações nucleares devido à sua abundância na natureza, longo tempo de meia-vida (aproximadamente 4,5 bilhões de anos para o urânio-238 e 700 milhões de anos para o urânio-235) e também sofre fissão espontânea por um pequeno percentual do tempo ou induzida.

As centrais nucleares apresentam um ou mais reatores, em cujo interior estão colocados barras ou outras configurações geométricas de minerais com algum elemento radioativo. No processo de decomposição radioativa, estabelece-se uma reação em cadeia que é sustentada e moderada mediante o uso de elementos auxiliares, dependendo do tipo de tecnologia empregada.

O reator é uma câmara de resfriamento hermética, blindada contra a radiação, onde é controlada a reação nuclear dos elementos radioativos para a obtenção de energia. Uma central nuclear pode conter vários reatores. Um reator produz grandes quantidades de calor e intensas correntes de radiação neutrônica e gama. Devido aos altos níveis de radiação, o reator deve estar cercado com um espesso escudo de concreto e aço para evitar fugas prejudiciais de radiação. As matérias radioativas são manejadas por controle remoto e armazenadas em contentores de chumbo. Atualmente, existem os seguintes tipos de reatores nucleares de fissão:

LWR - Light Water Reactors: Utilizam como refrigerante e moderador a água leve (água comum) e, como combustível, o urânio enriquecido. Os mais utilizados são os BWR (Boiling Water Reactor ou reator de água em ebulição) e os PWR (Pressure Water Reactor ou reatores de água a pressão), estes últimos considerados atualmente como padrão.

CANDU - Canada Deuterium Uranium: Utilizam como água pesada como moderador (cuja molécula é composta por dois átomos de deutério e um átomo de oxigênio) e, como refrigerante, água comum (água leve). Como combustível, usam urânio comum.

FBR - Fast Breeder Reactors: Utilizam nêutrons rápidos no lugar de térmicos para o processo da fissão. Como combustível utilizam plutônio e, como refrigerante, sódio líquido. Este reator não necessita de moderador.

HTGR - High Temperature Gás-cooled Reactor: Usa uma mistura de tório e urânio como combustível. Como refrigerante, utiliza o hélio e, como moderador, grafite.

RBMK - Reactor Bolshoy Moshchnosty Kanalny: Sua principal função é a produção de plutônio, e como subproduto gera eletricidade. Utiliza grafite como moderador, água como refrigerante e urânio enriquecido como combustível. Pode recarregar-se durante o funcionamento. Apresenta um coeficiente de reatividade positivo.

ADS - Accelerator Driven System: Utiliza uma massa subcrítica de tório. A fissão é produzida pela introdução de nêutrons no reator de partículas através de um acelerador de partículas. Ainda se encontra em fase de experimentação, e uma de suas funções fundamentais será a eliminação de resíduos nucleares produzidos em outros reatores de fissão.

De maneira geral, um reator de fissão nuclear é dividido em três circuitos: o circuito primário, o secundário e o sistema de refrigeração.

Circuito primário

Núcleo do reator: é um grande recipiente onde é colocado o material radioativo combustível da reação (geralmente urânio). O urânio é enriquecido para a reação e possui a forma de pequenas pastilhas que são dispostas em hastes longas agrupadas em feixes. Os feixes são normalmente submersos em água dentro de um recipiente de pressão. A água atua como refrigerante. Para que o reator funcione, o feixe, submerso em água, deve ser levemente supercrítico. Isso significa que se deixado sozinho o urânio eventualmente superaqueceria e derreteria.

Hastes de controle: são feitas de material que absorve nêutrons (boro ou cádmio) e são inseridas no feixe usando um mecanismo que pode elevá-las ou abaixá-las, permitindo que os operadores controlem o índice de reação nuclear. Quando um operador quer que o núcleo de urânio produza mais calor, as hastes são elevadas para fora do feixe de urânio. Para criar menos calor, as hastes são abaixadas dentro do feixe de urânio. As hastes podem ser abaixadas completamente no interior do feixe de urânio para desligar o reator no caso de um acidente ou para trocar o combustível.

Vaso de pressão: é uma estrutura que contém a água usada para refrigerar o núcleo do reator. Essa água passa próxima ao núcleo do reator, recebendo o calor liberado pelas reações de fissão e tornando-se altamente radioativa. Ela circula quente por um gerador de vapor no circuito primário para aquecer outra corrente de água usada para acionar as turbinas do gerador.

Pressurizador: impede que a água do circuito primário evapore e a conduz de forma a passar pelo gerador de vapor do circuito secundário. Depois dessa etapa, essa água é novamente bombeada para o reator, reiniciando todo o ciclo.

Circuito secundário

Gerador de vapor: é um grande tanque que contém água limpa de uma fonte externa. A água do circuito primário passa pelo gerador de vapor, mas sem entrar em contato com a água limpa, aquecendo-a até que se torne vapor. O vapor, por sua vez, é direcionado às turbinas do gerador eletromagnético.

Turbina: dispositivo girante acoplado ao eixo do gerador, responsável por transmitir a energia mecânica do vapor para esse.

Gerador: é a máquina elétrica responsável por converter a energia mecânica do vapor em energia elétrica. Seu principio de funcionamento se baseia na Lei de Faraday e na Lei de Ampère: a energia mecânica contida na rotação de seu eixo faz com que a intensidade de um campo magnético produzido por um ímã permanente atravesse um conjunto de enrolamentos, o que pela Lei da indução de Faraday leva a indução de tensões nos terminais dos mesmos.

Condensador: unidade que condensa o vapor após passar pelas turbinas, transformando-o novamente em água líquida. Depois do condensador, a água passa por uma refrigeração e é bombeada para repetir todo o ciclo do circuito secundário.

Torre de refrigeração: é uma grande construção que resfria a água que sai do condensador, utilizando uma fonte natural de água fria, como água de um lago ou do mar.

A figura abaixo apresenta o esquema de uma central nuclear:

Fonte: http://areaseg.com/vote2/html/un.html

Reator Gerador de vapor

Varas de controle Urânio

Núcleo Bomba

Transformador or

Água morna Torre de refrigeração

Vapor d’água

Transmissão

Bomba Água fria

Fonte de água externa Condensador Água de refrigeração

Tubos

Turbina Gerador

1.2-Vantagens das usinas nucleares

A principal vantagem da energia nuclear obtida por fissão é a não utilização de combustíveis fósseis. Considerada como vilã no passado, a Energia Nuclear passou gradativamente a ser defendida por ecologistas de nome como James E. Lovelock por não gerarem gases de efeito estufa. Estes ecologistas defendem uma virada radical em direção à energia nuclear como forma de combater o aquecimento global.

Em comparação com a geração hidrelétrica, a geração a partir da energia nuclear apresenta a vantagem de não necessitar o alagamento de grandes áreas para a formação dos lagos de reservatórios, evitando assim a perda de áreas de reservas naturais ou de terras agriculturáveis, bem como a remoção de comunidades inteiras das áreas que são alagadas. Outra vantagem da energia nuclear em relação à geração hidrelétrica é o fato de que a energia nuclear é imune à alterações climáticas futuras que porventura possam trazer alterações no regime de chuvas.

Já que a maior parte (cerca de 96%) do combustível nuclear queimado é constituída de urânio natural, uma grande parte do combustível utilizado nos reatores nucleares é reprocessado em plantas de reprocessamento como a Urenco no Novo México. Cerca de 60% do combustível nuclear é mandado diretamente para o reprocessamento. O reprocessamento visa re-enriquecer o urânio exaurido, tornando possível que ele seja novamente utilizado como combustível.

A parte do combustível que não é reprocessada imediatamente é armazenada para reprocessamento futuro, ou é armazenada semi-definitivamente em depósito próprio.

Cerca de 4% do total do combustível queimado é constituído dos chamados produtos de fissão e da série dos actinídeos, que são originados a partir da fissão do combustível nuclear. Estes podem incluir elementos altamente radioativos como o plutônio, amerício e césio. Atualmente esses elementos são separados do urânio que será reprocessado e são armazenados em depósitos projetados especificamente para armazenamento de elementos radioativos ou utilizados em pesquisas.

1.3-Desvantagens

Resíduos radioativos: A geração de rejeito radioativo de usinas nucleares é normalmente baixa, mas representa um problema pois os elementos contidos no combustível queimado, principalmente os produtos de fissão, demoram um tempo muito longo para decaírem em outros elementos e apresentam alta radioatividade, portanto é necessário que eles fiquem confinados em um depósito próprio onde não possa haver nem interferência humana externa nem interferência ambiental (já que a interferência ambiental pode causar vazamentos e deslocamento dos elementos).

Acidentes: devido a presença de materiais radioativos e inflamáveis nas usinas, as chances de explosão e vazamento são altíssimas, caso não sejam tomadas as medidas de segurança necessárias.

Perigos aos funcionários: Todo funcionário operando na proximidade de substâncias radioativas está exposto ao risco de contaminação e, portanto, deve cumprir regras rígidas de segurança radiológica. Mesmo assim, já aconteceram vários imprevistos na história da energia nuclear, nem todos classificados pela Agência Internacional de Energia Nuclear (IAEO).

Uma usina nuclear, justamente por lidar com algo potencialmente perigoso e que já resultou em acidentes no passado, tem normas de segurança tanto nacionais quanto internacionais que garantem que cada procedimento seja feito de acordo com todos os padrões de segurança. A Agência Internacional de Energia Atômica é um órgão internacional regulatório que salva-guarda a construção e uso da energia nuclear no mundo. Os requisitos para a obtenção de salva-guarda são severos e reconhecidos pela exigência em relação à segurança e operação de usinas nucleares; sem uma salvaguarda, um país é proibido de realizar a construção de instalações nucleares. Um dos requisitos para a obtenção de salva-guarda é que a instalação em questão deve ser supervisionada durante toda a sua existência por um grupo internacional de supervisores especializados em segurança radiológica e nuclear.

1.5-Novas tecnologias Reatores de fusão

O emprego pacífico ou civil da energia de fusão está em fase experimental, existindo incertezas quanto a sua viabilidade técnica e econômica. O processo baseia-se em aquecer suficientemente núcleos de deutério até obter-se o estado plasmático. Nesse estado, os átomos de hidrogênio se desagregam permitindo que ao se chocarem ocorra entre eles uma fusão produzindo átomos de hélio. A diferença energética entre dois núcleos de deutério e um de hélio será emitida na forma de energia que manterá o estado plasmático com sobra de grande quantidade de energia útil. A principal dificuldade do processo consiste em confinar uma massa do material no estado plasmático já que não existem reservatórios capazes de suportar as elevadas temperaturas a ele associadas. Um meio é a utilização do confinamento magnético.

Os Gen IV

Os Reatores de Quarta geração (Gen IV) são um conjunto de projetos de reatores nucleares teóricos que estão atualmente sendo pesquisados. Em geral não se espera que estes projetos tenham aplicação comercial antes de 2030. Os reatores em operação atualmente no mundo são geralmente considerados sistemas de segunda ou terceira geração. As pesquisas deste tipo de reator começaram oficialmente no Fórum Internacional da Quarta Geração (Generation IV International Forum (GIF)) que propôs oito objetivos tecnológicos. Os objetivos primários são: melhorar a segurança nuclear, melhorar a resistência à proliferação, minimizar a produção de lixo nuclear e a utilização de recursos naturais e diminuir o custo da construção e operação das centrais nucleares.

2-Impactos Ambientais

2.1-Alguns dos mais relevantes acontecimentos radioativos

Em 1957, na cidade de Liverpool, com 39 mortes provocada;Na usina russa de Tcheliabinski contamina 270 mil pessoas. Na extinta União Soviética com 8.015 mortes confirmadas até 1992;

Em 1982, Guerra das Malvinas;

Em 1997, Tokai – Japão; Reserva nuclear de Hanford – Estados Unidos;Angra I, Rio de Janeiro – Brasil (defeito numa válvula do reator).

Em 1987, a violação de uma cápsula de césio-137 em Goiânia – Brasil;

Em 1979, a usina americana de Three Mile Island, na Pensilvânia – Estados Unidos;

Em 1986, ocorre o maior acidente nuclear da história (até agora), na usina nuclear soviética de Chernobyl.

Em 12 de Março de 2011, no Japão. Na ocasião, houve uma explosão no reator 1 da usina nuclear de Fukushima. O acidente recebeu grau 4 de magnitude (que vai até 7), o que significa “com consequências locais”. O governo insistiu que os níveis de radiação eram baixos. Segundo a agência de notícias japonesa Jiji, três trabalhadores sofreram de exposição radioativa perto da usina de Fukushima. Esta foi a primeira vez que o Japão confrontou uma ameaça significativa de radiação desde o maior pesadelo de sua história, uma catástrofe exponencialmente pior: os ataques com bombas atômicas em Hiroshima e Nagasaki, em 1945, que resultaram em mais de 200 mil mortes.

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