EN2415_maio2010 - Energia Nuclear

8/18/2019 EN2415_maio2010 - Energia Nuclear

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Universidade Federal do ABC

Energia Nuclear:

Origem, tecnologia

e matriz energética


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Energia nuclear• É uma fonte de alta densidade energética. É uma

fonte de energia controvertida devido suas váriasaplicações:

– Energética

–

Medicina – Bélica

• Opiniões pró e contra a energia nuclear são muitasvezes emitidas em bases emocionais:

– São motivadas por questões políticas, de segurançainternacional, segurança, acidentes, filosóficas, etc.



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• Átomo – parte indivisível da matéria e constituinte de todos os

materiais (Demócrito – 420 a.C.)

• 4 elementos formadores da matéria (Aristóteles – 340 a.C.)

– Fogo, água, ar e terra

• Átomo – proposta por Dalton (século 19)

– Cada elemento consiste de um tipo de átomo.


Matéria


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Física do início do século XX

• Estrutura do átomo

– Descoberta da radiação mostrou que átomos eram formados por partículas

– Raio X, elétrons, radiações γ, α, β

• Modelo do Thomson

– uma esfera de carga + com elétrons incrustados uniformemente distribuídos

• Modelo de Rutherford

– Modelo nuclear –

núcleo positivo massivo e elétrons orbitando ao redor

– Núcleo 20.000 vezes menor que o átomo e contendo 99,9 % de sua massa



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Figura 1. Fissão Nuclear do U-235



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Energia potencial nuclear

A interação nuclear mantémo núcleo coeso vencendo

a interação repulsivaelétrica entre os prótons.

Alcance da força nuclear éde 1x10-15 m



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Reação nuclear de fissão

• O neutron é capturado pelo núcleo de 235U e forma um núcleoinstável 236U que decai via fissão em tempos menores que 10-9 s

+ 2,4 neutrons



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Reação nuclear de fissão

• O neutron deve ter energia baixa (estar em equilíbrio térmico com o meio) nosreatores PWR

• O isótopo 235U tem grande probabilidade de reação de fissão com neutronstérmicos; o isótopo 238U tem baixa probabilidade de reação com os neutrons

térmicos.

• Na natureza, cerca de 99,3 % é de isótopos 238 e 0,7 % de isótopos 235.

• A energia liberada por 1 mol de átomos de U é de 3,14x107 Kcal/g-mol ou31.400.000 Kcal/gmol

• O resultado acima leva em conta que apenas o 235U fissiona.



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Isótopos físseis e férteis

• Elementos físseis - que fissionam com neutrons térmicos

– Natural

• Urânio-235

– Artificiais

• Urânio-233

• Plutônio-239

• Plutônio-241

• Elementos férteis

– U-238 –

reage com neutron e transmuta-se em Pu-239 e Pu-241 – Th-233 – reage com neutron e transmuta-se em U-233



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Controlando-se o número de nêutrons produzidos e a quantidade de U-235,

pode-se controlar a taxa de fissão ao longo do tempo. Essa reação em cadeia, denominada

controlada, é o processo utilizado em um reator nuclear. Já em uma bomba atômica, as

fissões ocorrem todas em um intervalo de tempo muito curto, gerando uma enorme

quantidade de energia e provocando a explosão.

O que torna o urânio conveniente para uso como combustível é a grande

quantidade de energia liberada por esse elemento ao se fissionar. O aproveitamento e

controle dessa energia liberada é feito dentro de reatores nucleares, que nas usinas

nucleares, fazem o mesmo papel que a caldeira desempenha nas usinas térmicas comuns

Somente o U-235 na natureza tem a propriedade de se fissionar e, portanto,

sustentar uma reação em cadeia.



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Extração e preparação:

- Extraído como UO3

-Troca iônica e extração por solvente ouaminas terciárias em um solvente dequerosene orgânico

- O solvente é extraído por evaporação e tem-se o yellow cake (bolo amarelo), U3O8

-,Após esse processo, o yellow cake éconvertido em UF

6e enriquecido.



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Gráfico1. . Reservas de urânio de 1973 a 2007



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Os recursos têm vários tipos de classificação, de acordo com a forma de

cálculo e sua incerteza. Os Recursos Razoavelmente Assegurados são os depósitos com

tamanho e teor conhecidos, e nesse tipo o Brasil ocupa a 9ª posição no cenário mundial.

Recursos Adicionais Estimados (Categoria I) são aqueles calculados baseando-

se em extensões de depósitos já explorados ou com continuidade geológica definida,

com grau de incerteza maior que os Razoavelmente Assegurados. Nestes, o país ocupa a

8ª posição.

Já os Recursos Adicionais Estimados (Categoria II) são recursos com evidências

indiretas de existência ou baseados em tendências geológicas, com menos certeza que

os de Categoria I. O Brasil ocupa a 6ª posição nesse tipo de recurso



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Reatores:

- Reatores GCR (Gás-Colled Reactor)

- Reatores AGR (Reatores Avançados Refrigerados a Gás)

- Reatores PWR (Pressurized Water Reactor)

Esse é o tipo de reator utilizado no Brasil, em Angra I e II.

- Reatores BWR (Reatores de Água Fervente)

- Reatores a água pesada (óxido de deutério)



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Ciclo envolvendo o reator PWR



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1 –

pastilhas combustível2 – varetas combustível3 – vaso de pressão do reator4 – blindagens5 – contenção6 – edifício do reator

Figura 5. Representação dasbarreiras de segurança

Além disso, a Eletronuclear conta

com um Plano de Emergência

para proteger a população em

caso de acidentes.



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Preocupação com segurança:

- Chernobyl (1986, numeros conflitantes: entre4mil e 93 mil mortos em decorrência doacidente)

- Three Mile Island (1979, erro operacional.Nenhuma vítima)

Hoje, com as medidas de segurança que sãotomadas, as chances de acontecer um acidentecomo o de Cernobyl são quase nulas.

O que é feito no Brasil?Areas afetadas pelo acidente de

Chernobyl



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Figura 6. Mapa da zona do plano de emergência



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Energia nuclear – forma de geração controvertida

• É uma das fontes importantes de energia no Brasil e no mundo

• Qual é o papel que pode representar?

– Tema de amplo debate!

• Histórico

– Primeiro reator foi construído e entrou em operação em 1942 – Enrico Fermi

– O objetivo inicial foi a construção de arma nuclear para 2a. Guerra Mundial

• Bomba de Hiroshima – 235U – desenvolveu-se o enriquecimento do U

– Processo físico

• Bomba de Nagasaki –

239Pu –

desenvolveu-se reator para produção de Pu e usina

de reprocessamento

– Processo químico

– Em 1953 foi construído o submarino Nautilus



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Histórico• Entre 1955 e 1957, russos e americanos produziram pela primeira vez eletricidade para fins civis a

partir da energia nuclear

• Na década de 60 havia muito otimismo com a energia nuclear

– Acreditava-se ser uma fonte com pouco impacto ambiental, muito disponível e barata!

– Crescimento exponencial da geração núcleo-elétrica

– EUA, Rússia, Inglaterra, França, Alemanha, Canadá e Japão estabelecem programas para

construção de usinas núcleo-elétricas

• Na década de 70 inicia-se a inquietação da população em relação à segurança dos reatores e sobre

a destinação dos rejeitos radioativos

– Consolida-se as tecnologias LWR (Light Water Reactors) e CANDU:

• PWR – Pressurized Water Reactor, Angra 1 e 2

• BWR – Boiling Water Reactor

• Candu – Reactor moderado a água pesada canadense (Argentina tem 1)

– Acidente de Three Mile Island

– Escalada nos custos de construção



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Histórico• Na década de 80 a energia anda de lado e tem grandes dificuldades de aceitação pública

– Acidente de Chernobyl

– Consolidação da geração nuclear na França, Japão, Espanha, Coréia do Sul

– Estagnação nos EUA, Alemanha, Suécia e outros países

– Dificuldade de competir com fontes mais baratas, como gás natural

• Na década de 90 desenvolve-se novos projetos inovadores para tornar as usinas mais

seguras e mais baratas

– Desenvolvimento de pesquisa para tornar usinas mais seguras

– Novas propostas para tratamento dos rejeitos radioativos

• Na década de 2000, renasce o interesse pela energia nuclear por não contribuir para o

aquecimento global

– Energia limpa (não emite CO2)

– Trata seus rejeitos e não dispersa na atmosfera

– Torna-se novamente competitiva devido a elevação continuada dos custos das fontes

fósseis



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Introdução da Energia Nuclear no Brasil

Divide-se em:

- fase nacionalista (1949-1954),

- fase diplomática (1955-74)

- fase do desenvolvimento dependente (1975 – dias atuais)

Histórico:1934 - Primeiros trabalhos

1951 - Criação do CNPq

1954 - Encomenda de três conjuntos de centrifugação para o enriquecimento de urânio

1955 - programa americano "Átomos para a Paz- Acordo de Cooperação para o Desenvolvimento de Energia Atômica com Fins

Pacíficos;



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Histórico:

1955 - Programa Conjunto para o Reconhecimento e a Pesquisa de Urânio no Brasil.1963 – criação do reator Argonauta

1965 – reator Argonauta entra em operação

1967 – CNEN firmou acordo para criação de Angra I

1972 –

início da construção de Angra I

1975 – Acordo Brasil – República Federal da Alemanha

1976 – Início das obras de Angra II

1985 – Entra em operação Angra I

2000 –

Entra em operação Angra II



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Angra I



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Angra 1:

Iniciada em 1972Começa a operar comercialmente em 1985

Área: 33.646,51 m2Capacidade: 657 megawatts (MW)Custo de produção: R$ 89,00/MWh, sendo R$ 70,00/MWh de O&M, e R$ 19,00/MWh decombustívelPotência de consumo próprio: 30 MWMédia de geração em relação ao potencial máximo: 61,52%

Angra 2:

Iniciada em 1976Entrou em funcionamento em 200Área: 93.802,74 m2Capacidade: 1300 MWCusto de produção: R$ 50,00/MWh, sendo R$ 34,00/MWh de O&M e R$ 16,00/MWh decombustívelPotência de consumo próprio: 75 MWMédia de geração em relação ao potencial máximo:77,19%.



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Angra 2



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Energia Limpa?

Energia Limpa é a fonte de energia que não emite gases do efeito estufa, como

gás carbônico e metano.

Energia Renovável, como o próprio nome diz, é a energia que provém de fontes

renováveis, como a eólica (dos ventos), solar (do sol) e hídrica (da água)

Independente na posição das fontes renováveis no mercado, o que se vê são

alianças entre indústrias nucleares e muitos ambientalistas.

Resta ponderar se, para atingir a baixa dos níveis de emissão de gases acordados

em termos como o protocolo de Kyoto vale a pena o risco da instalação de novas usinas

termonucleares, que pode ocasionar efeitos muito mais significativos para a o ser humano

do que o efeito estufa.

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