SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA

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1 SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA
NUCLEAR ENERGY Sumário da 5ª aula Vantagens e problemas da energia nuclear convencional Evolução dos reactores nucleares 2.1. Reactores avançados 2.2. Reactores de temperatura elevada 2.3. Reactores de neutrões rápidos

2 1. VANTAGENS E PROBLEMAS DA ENERGIA NUCLEAR CONVENCIONAL
A energia nuclear convencional possui acérrimos defensores e opositores. 47% dos investimentos dos países membros da Agência Internacional de Energia em I&D na área da energia, entre 1974 e 2002, foram feitos em fissão nuclear, contra 13% nas fontes de energia fóssil, 11% na fusão nuclear, 8% nas renováveis e 8% na eficiência e armazenamento Vantagens Energia limpa, poderosa, economicamente atractiva e baseada em combustíveis abundantes.

3 A energia nuclear é limpa porque não emite para a atmosfera nem gases de efeito de estufa nem outros gases que degradam o ambiente como, por exemplo, o dióxido de enxofre, os óxidos de azoto, o mercúrio e outros gases típicos resultantes da queima de combustíveis fósseis. Convém, no entanto, referir que nos processos a montante (extracção, enriquecimento e transporte do minério) e a jusante (tratamento dos resíduos e desmantelamento da central) são emitidos dióxido e monóxido de carbono, ainda que em quantidades muito menores que numa central térmica. A energia nuclear é poderosa porque uma pequena redução da massa dos reagentes conduz, de acordo com a fórmula de Einstein à libertação de uma grande quantidade de energia. E = m c2 Uma reacção de fusão nuclear é cem vezes mais poderosa que uma reacção de fissão que, por sua vez, é cerca de um milhão de vezes mais poderosa que uma reacção química.

4 A energia de ligação libertada numa reacção de fissão é da ordem de 200 MeV, um valor incomparavelmente maior que os 4 eV por molécula de dióxido de carbono libertado na queima de um combustível fóssil. Deste facto resulta que uma grama de urânio pode gerar a mesma electricidade ( kWh) que é obtida com a combustão de oito toneladas de carvão. Combustível Resíduos 2500 toneladas de carvão 5000 t de CO2, SO2, cinzas e metais pesados 1500 toneladas de petróleo 4800 t de CO2, SO2 e outros 700 toneladas de gás natural 2400 t de CO2 25 Kg de urânio 23 Kg de resíduos, dos quais apenas 1 Kg possui alta actividade 250 gr de deutério ? Combustíveis necessários e resíduos produzidos na geração de 1 MW de electricidade durante um ano

5 Combustível Valor Calorífico % de carbono CO2 produzido (g/MJ) Hidrogénio 121 MJ/kg Gás Natural 38 MJ/m3 89 51 Petróleo 45 MJ/kg 67 72 Carvão 24 MJ/kg 76 90 Madeira 16 MJ/kg 42 94 Urânio Natural 500 GJ/kg Urânio Enriquecido 3900 GJ/kg O combustível para as centrais de fissão nuclear é abundante na crosta terreste: U235 (0.7% de todo o urânio natural) e U238 (99.3% de todo o urânio natural) são os combustíveis mais usados nos reactores críticos e nos fast breeders.

6 O urânio é um elemento que aparece com muita frequência na crosta terreste e nos oceanos;
As principais reservas estão situadas na Austrália (30%), Cazaquistão (17%), Canadá (12%), África do Sul (8%), Namíbia (6%), Nigéria (5%), Brasil (4%), Federação da Rússia (4%), Estados Unidos (3%) e Urzebeijão (3%) Ao preço actual do mercado, um depósito é economicamente atractivo se contiver pelo menos 0.1% de urânio, o que significa que as reservas conhecidas permitem satisfazer o consumo mundial de energia durante cerca de 60 anos. Contudo, este prazo poderá ser alargado para 100 anos desde que o preço do urânio duplique, o que implicaria um aumento de apenas 5% no custo do kWh de electricidade; O uso de U238 fará com que as reservas durem pelo menos anos.

7 Uma alternativa poderá consistir na utilização de U233 produzido a partir de tório, um elemento três vezes mais abundante na Terra que o urânio e cujas principais reservas se encontram na Austrália, Índia e Noruega. Existem alguns modelos de reactores, tais como o Canadian Deuterium Uranium (CANDU), que já podem operar com tório. As reacções começam com U235 ou Pu239 e depois o tório (Th232) captura um neutrão e transforma-se em U233, o qual continua as reacções em cadeia. Contudo este tipo de utilização do tório tem vários problemas práticos que limitam a implementação desta solução.

8 Concentrações típicas de urânio
Para além das jazidas naturais, os combustíveis para os reactores nucleares podem ser obtidos do desmantelamento dos arsenais nucleares. Uma bomba nuclear contém uma grande quantidade de urânio enriquecido até 90% de U235, isto é, cerca de 25 vezes a proporção típica da maioria do combustível nuclear. Algumas bombas nucleares têm P239 o qual pode ser usado numa forma diluída nos reactores nucleares convencionais ou nos reactores de alimentação rápida (“Fast Breeders”). Fonte Concentração (em partes por milhão) Minério de Alta Concentração 20000 Minério de Baixa Concentração 1000 Granito 4 Rochas Sedimentares 2 Água do Mar 0,003 Concentrações típicas de urânio

9 Estudos realizados no Reino Unido e nos Estados Unidos chegaram a custos muito semelhantes para o preço do kWh de electricidade gerado por reacções de fissão ou por outras tecnologias tradicionais, mesmo quando o custo da energia nuclear inclui os encargos associados à construção e ao desmantelamento da central e as outras tecnologias não incluem os factores externos (por exemplo, o seu impacte ambiental). Os custos muito elevados da construção e da desmontagem de uma central nuclear são compensados pelo custo muito reduzido dos combustíveis. Para aumentar a competitividade da energia nuclear, os governos têm diminuído a burocracia associada ao processo de licenciamento e a industria nuclear tem reduzido o tempo de construção e aumentado o período em que a central pode operar em condições de total segurança.

10 A energia nuclear tende a ser ainda mais competitiva em países onde outros combustíveis energéticos não estão disponíveis, como, por exemplo, na França e no Canadá-Ontário. País Nuclear Carvão Gás Natural Finlândia 2,76 3,64 - França 2,54 3,33 3,92 Alemanha 2,86 3,52 4,90 Suiça 2,88 4,36 Holanda 3,58 6,04 República Checa 2,30 2,94 4,97 Eslováquia 3,13 4,78 5,59 Roménia 3,06 4,55 Japão 4,80 4,95 5,21 Coreia do Sul 2,34 2,16 4,65 Estados Unidos 3,01 2,71 4,67 Canadá 2,60 3,11 4,00 Previsão dos preços (em cêntimos de dólar americano de 2003) em 2010 do kw.h de electricidade produzidos em centrais nucleares, de carvãoou de gás natural (OCDE, 2005)

11 Os problemas da energia nuclear estão relacionados com a proliferação de armas nucleares, a segurança e a refrigeração das centrais, o impacte na saúde pública e os resíduos radioactivos. A proliferação nuclear resulta do uso no fabrico de bombas nucleares das tecnologias desenvolvidas para fins civis, nomeadamente para o enriquecimento de urânio e o tratamento dos resíduos nucleares. Este problema está resolvido no mundo democrático, através do Tratado de Não-Proliferação de Armas Nucleares (em vigor desde 1970, actualmente com 187 signatários) e ao trabalho de organizações internacionais como, por exemplo, a Comunidade Europeia de Energia Atómica (EURATOM) e a Agência Internacional de Energia Atómica (IAEA) ambas criadas em 1957. Contudo, este problema subsiste nos países onde a actividade dos inspectores da IAEA é dificultada, como, por exemplo, acontece actualmente no Irão e na Coreia do Norte.

12 Alguns modelos da Geração IV proporcionam uma solução radical para este problema, através da construção de reactores de ciclo fechado, nos quais os resíduos nucleares são re-processados no interior do próprio reactor. A segurança dos reactores de fissão tem sido melhorada à medida que novos modelos são comercializados, através: - Diminuição da dependência da operação de factores humanos - Aperfeiçoamento do treino dos operadores - Aumento da cultura de segurança de todo o pessoal das centrais nucleares - Instalação de várias barreiras de protecção que evitam a emissão de radiação na ocorrência, pouco provável, de um acidente sério.

13 O caso de Three Mile Island, onde o acidente mais sério que ocorreu até hoje fora do espaço da ex-União Soviética conduziu à libertação de pequenas quantidades de radiação para a atmosfera, já que a parede exterior do sistema de contenção nunca rachou. Os reactores da Geração III, do tipo EPR (“European Pressurized Reactor”) têm níveis de segurança tão ou mais elevados que quaisquer outras instalações experimentais, do mesmo nível de complexidade.

14 Contudo, é ainda preciso melhorar os sistemas de arrefecimento do núcleo (em caso de acidente grave, a água sujeita às temperaturas elevadas do núcleo pode gerar quantidades explosivas de hidrogénio) e a segurança contra atentados terroristas. A refrigeração de uma central nuclear requer grandes quantidades de água. Este consumo pode ser reduzido desde que se usem torres de refrigeração ou, no limite, uma torre seca, soluções que, contudo, aumentam o custo da central. O impacte na saúde pública das centrais nucleares é pequeno, salvo em caso de acidente, apesar da emissão permanente de materiais radioactivos para a atmosfera, solo e água.

15 Os níveis de radiação dos trabalhadores destas centrais e das populações vizinhas estão dentro dos limites fixados na regulamentação internacional. Este facto justifica, muito provavelmente, a existência de centrais nucleares perto de grandes aglomerados populacionais (por exemplo, há duas centrais nucleares a menos de 50 km de Madrid). Por outro lado, as estatísticas demonstram que o número de acidentes de trabalho numa central nuclear é menor que nas centrais térmicas ou hidroeléctricas. Se ocorrer um acidente grave numa central (cuja probabilidade é de 1 para 10 milhões), e no caso também pouco provável de haver libertação de poeiras e radiações para o exterior (as novas centrais nucleares possuem várias camadas de protecção), existem procedimentos que podem atenuar o impacte na população (por exemplo, a distribuição de tabletes de iodo reduz o risco de cancro na tiróide).

16 Os resíduos nucleares são, ainda, hoje um problema, sobretudo porque tem havido pouco investimento no estudo de processos eficientes para o seu tratamento e armazenamento. Uma central nuclear produz menos resíduos que uma central térmica e que são controlados com muito mais rigor que qualquer outro resíduo industrial. Contudo, os resíduos nucleares são muito mais perigosos para a saúde pública. Uma pequena quantidade destes resíduos (cerca de 10%) possui radioactividade muito elevada que, apesar de se reduzir a cerca de metade ao fim de 10 anos e em 90% passado um século, leva milhares de anos atingir os níveis naturais. São, por isso, necessários processos de separação e transmutação que permitam retirar e tratar os componentes de elevada radioactividade (plutónio e actinídeos) e técnicas de armazenamento em camadas geológicas profundas (solução adoptada na Finlândia) ou à superfície ou no subsolo (cemitério nuclear).

17 A indústria nuclear poderá passar por algumas dificuldades se ocorrer um aumento significativo e súbito do recurso à energia nuclear. Em primeiro lugar poderá haver dificuldade em satisfazer, em tempo útil, as encomendas de novas centrais e os pedidos de desmantelamento de centrais actuais. Esta operação torna-se cada vez mais urgente porque o parque nuclear está envelhecido (14% e 18% das actuais centrais têm, respectivamente, mais de 25 e 30 anos). Vai aumentar a dificuldade de contratar novos engenheiros nucleares, devido à diminuição do ensino desta especialidade nas universidades europeias. Em terceiro lugar, haverá, certamente, um aumento do preço da matéria prima.

18 O preço em dólares do urânio quadruplicou em três anos, embora ainda não tenha atingido o máximo histórico dos anos 70 e apesar de alguns países terem aumentado nos últimos anos a sua produção. É importante referir que o custo do urânio tem um impacte pequeno no custo do kW.h (a duplicação do primeiro conduz a um aumento de 5% no segundo). Finalmente refira-se que as recomendações internacionais apontam para que todas as actividades relacionadas com o nuclear devam ser controladas por um órgão especializado, independente do poder político e dos grupos económicos.

19 2. EVOLUÇÃO DOS REACTORES NUCLEARES
A indústria nuclear tem tentado resolver os problemas referidos na secção anterior, procurando tornar os reactores deste tipo mais seguros, mais eficientes e mais amigos do ambiente A segurança tem sido melhorada através do recurso a microprocessadores e à redução da componente humana nos sistemas de decisão. O aperfeiçoamento da eficiência permite que a mesma quantidade de electricidade seja gerada com menos combustível e, por consequência, produzindo menos resíduos. A amizade ao ambiente tem sido melhorada com o aperfeiçoamento dos sistemas de arrefecimento, a redução da quantidade e da radioactividade dos resíduos e o seu tratamento e armazenamento em condições adequadas e seguras.

20 Reactores da Geração I foram construidos até 1965 e encontram-se apenas em operação na Europa de Leste, constituindo um perigo para a Humanidade dada a sua idade avançada e as condições precárias de segurança. Reactores da Geração II, construidos entre 1965 e 1995, são muito mais seguros e encontram-se em funcionamento na Ásia e no mundo ocidental. Os reactores da Geração III são ainda mais seguros e eficientes, encontrando-se seis modelos diferentes em operação, construção ou desenvolvimento. Os reactores da Geração IV estão a ser estudados seis conceitos diferentes, esperando-se que a sua comercialização possa ocorrer dentro de 20 a 30 anos: o GFR (“Gas-cooled Fast Reactor”), o LFR (“Lead-cooled Fast Reactor”), o MSR (“Molten Salt Reactor”), o SCWR (“SuperCritical Water-cooled Reactor”), o SFR (“Sodium-cooled Fast Reactor”) e o VHTR (“Very High Temperature Reactor”).

21 Modelos dos reactores nucleares que estão em operação em 2006
Tipo Combustível Moderador Permutador Nª GWe Localização Pressurized Water Reactor (PWR) UO2 enriquecido OH2 Pressurizada 268 249 França, Japão, USA, Rússia Boiling Water Reactor (BWR) OH2 em Ebulição OH2 em Ebulicão 94 85 USA, Japão, Suécia Pressurized Heavy Water Reactor (PHWR) UO2 natural OH2 Pesada OH2 Pesada 40 22 Canadá Gás-Cooled Reactor (MAGNOX & AGR) U natural UO2 enriquecido Grafite CO2 23 12 Reino Unido Light Water Graphite Reactor (RBMK) OH2 Rússia Fast Neutron Reactor (FBR) PuO2 e UO2 Sódio Líquido Não Tem 4 1 Japão, França, Rúsia Modelos dos reactores nucleares que estão em operação em 2006

22 Os reactores da Geração IV são mais seguros porque:
O núcleo do reactor é mais pequeno; Um modelo de gás a temperaturas elevadas (HTGR) usa micro-esferas de combustível que são introduzidas na parte central do reactor à medida que são consumidas, evitando-se a libertação de grandes quantidades de energia que podem conduzir a que o núcleo se derreta; O hélio usado como refrigerador, no caso de acidente, regressa ao corpo central do reactor, evitando que haja libertação de elementos radioactivos; São economicamente mais competitivos dado que a menor dimensão do seu núcleo permite menores edifícios e porque a sua duração mais longa significa um impacte menor dos custos de construção e desmantelamento no preço do kW.h;

23 Alguns modelos permitem a produção de hidrogénio, em larga escala, através de um processo termoquímico que consiste na reacção quimica de dióxido de enxofre e iodina com água, com a produção de ácido sulfúrico e iodeto de hidrogénio, que posteriormente se pode decompor em iodina e hidrogénio; São mais eficientes, produzindo menos resíduos e com menos radioactividade. Existem, mesmo, modelos de ciclo fechado em que os resíduos são reprocessados no interior do próprio reactor de forma a serem reutilizados como combustível; Os reactores de ciclo fechado são resistentes à proliferação nuclear, uma vez que o plutónio não sai do interior do reactor.

24 2.1. Reactores Avançados Os construtores nucleares europeus, americanos e japoneses têm vários projectos de novos reactores nucleares em fases de investigação e desenvolvimento, planeamento, aprovação pelas Autoridades Reguladoras ou, finalmente, já em construção. País Reactor Potência MWe Estado do Projecto EUA – Japão Advanced Boiling Water Reactor (ABWR) 1300 Em operação no Japão Certificado nos Estados Unidos EUA AP – 600 AP – 1000 600 1100 Certificado Economic Simplified Boiling Water Reactor (ESBWR) 1550 França European Pressurized Water Reactor (EPWR) 1600 Em construção na Finlândia Japão Advanced Pressurized Water Reactor (APWR) 1500 Desenho básico Coreia do Sul APR 1400 1450 Em construção Rússia PWR V-448 PWR V-392 950 Dois em construção na India Canadá Advanced CANDU Reactor (ACR) 1000 Proposto por o Reino Unido Certificado em curso no Canadá

25 Estes reactores, pertencentes às Gerações III, III+ ou IV:
Têm um projecto standarizado para cada modelo de modo a facilitar o licenciamento, reduzir os custos de investimento e diminuir o tempo de construção; Têm um projecto mais simples e austero, são meios fáceis de operar e são menos vuneráveis a distúrbios operacionais; Têm uma vida útil mais longa (tipicamente 60 anos) de modo a reduzir o impacto dos custos de construção e desmontagem no preço do kWe; Reduzem a possibilidade de um derretimento da câmara do reactor; Têm um ponto de queima mais elevado, de modo a reduzir a quantidade de combustível utilizado e o lixo produzido; São economicamente mais competitivos.

26 2.2. Reactores de Temperatura Elevada
Estão a ser desenvolvidos reactores de alta temperatura (MTR) arrefecidos a gás, capazes de fornecerem hélio a temperaturas até 950 ºC para aplicações industriais ou geração de electricidade, com uma eficiência térmica de cerca de 48%; Estes reactores utilizam combustível na forma de partículas com menos de um milímetro de diâmetro, contendo cada uma um grão de óxido carbonete de urânio, com U235 enriquecido até 17%. Cada pastilha é rodeada por camadas de carbono e carboneto de silício, proporcionando um contentor para os produtos de fissão que é estável até 1600 ºC ou mais. As pastilhas são posteriormente agrupadas ou em blocos hexagonais de grafite ou em bolas do tamanho de uma bola de bilhar, feitas em grafite encaixada em carbonete de silício.

27 Países envolvidos no desenvolvimento
Em ambos os casos, cada peça tem mais de pastilhas de combustível a cerca de 9 gramas de urânio. Estes combustíveis para os reactores de alta temperatura têm uma segurança inerente muito elevada, incluindo um coeficiente de temperatura muito negativo que origina uma redução das reacções de fissão quando a temperatura aumenta. Reactor Países envolvidos no desenvolvimento Estado Pebble Bed Modular Reactor (PBMR) Africa do Sul, USA, Alemanha e China Em desenvolvimento Small Pebble Bed Reactor (SPBR) China Em operação MTR-PM Em construção Gas Turbine – Modular Hellium Reactor (GT-MHR) Estados Unidos, Russia e França Reactores de Temperatura Elevada

28 2.3. Reactores de Neutrões rápidos
Os neutrões rápidos podem gerar potência nuclear utilizando a transformação de U238 em Pu239 e, depois, as reacções em cadeia deste material cindível; Os reactores reprodutores rápidos produzem mais plutónio do que consomem; Os reactores de neutrões rápidos têm uma eficiência térmica muito elevada, devido a temperatura muito elevada em que operam (500 a 550 ºC); O número de neutrões produzido por reacção de fissão é 25% mais elevado que nos reactores térmicos, pelo que há neutrões suficientes não só para manter as reacções em cadeia, mas também para converter o urânio esgotado (principalmente U238) existente numa camada fértil em plutónio.

29 Este tipo de reactores não tem moderador e usa metais líquidos de alta condutividade e ponto de ebulição (como, por exemplo, o sódio, o chumbo, ou uma liga de chumbo-bismuto) para o seu arrefecimento. Este tipo de arrefecimento, embora, difícil de manusear do ponto de vista químico, é mais benigno do que água a muito alta pressão. Estas vantagens deste tipo de reactores levou as principais potências nucleares a desenvolverem e instalarem vários reactores. Contudo, o baixo preço do urânio, os custos elevados do investimento e a necessidade de utilizar plutónio para fins militares levou muitos Países a não instalar mais reactores deste tipo. Praticamente, hoje, apenas a Rússia continua a apostar neste tipo de reactores. No entanto, é provável que no futuro aumente o interesse neste tipo de reactores devido à sua capacidade para cindirem actinídios, incluindo os que são recuperados do combustível usado dos reactores convencionais.

30 Reactores Reprodutores Rápidos
País Reactores Instalados Em operação Estados Unidos 5 Reino Unido 2 França 3 1 Alemanha India Japão Casaquistão Rússia Reactores Reprodutores Rápidos