Usinas Nucleares TE033 – Centrais Elétricas Prof. Dr. Clodomiro Unsihuay Vila Natasha Alexandra Vicentin

Agenda Introdução; Fissão nuclear; Obtenção de combustível nuclear; Reator nuclear de fissão e sua estrutura; Funcionamento de uma usina nuclear por fissão; Angra 1, Angra 2 e Angra 3 e usinas nucleares no cenário mundial; Lixo radioativo; Fusão nuclear; Reator de fusão nuclear; Comparativo fissão nuclear X fusão nuclear; Referências bibliográficas.

Introdução Uma usina nuclear produz energia elétrica a partir da energia nuclear; Essa energia nuclear é obtida por meio da fissão nuclear dos elementos radioativos urânio ou plutônio; Há previsão, no futuro, que a energia seja obtida por meio da fusão nuclear.

Fissão nuclear Na fissão nuclear, átomos de urânio ou de plutônio são bombardeados por nêutrons; Os nêutrons fazem com que a massa desses átomos aumente e, consequentemente, se tornem instáveis; Assim, cada átomo é forçado a se dividir para formar outros dois, de tal forma a liberar energia e nêutrons livres; Esses nêutrons livres vão se chocar com outros átomos, causando novas reações, e assim, sucessivamente, além de que a quantidade de energia liberada será cada vez maior. Esse processo é conhecido como reação em cadeia.

Obtenção de combustível nuclear - Urânio Um dos principais elementos usados como combustível nuclear é o Urânio 235; Na natureza, o urânio é encontrado na forma mineral misturado com argila, enxofre e outras impurezas; O urânio retirado da mina é composto por apenas 0,7% urânio-235, enquanto os outros 99,3% são compostos por urânio-238, que não é utilizado para a geração de energia; Assim, é necessário realizar o enriquecimento de urânio, de forma a aumentar a porcentagem de urânio-235; Os dois processos de enriquecimento mais utilizados são a difusão gasosa e a ultracentrifugação. Uraninita, uma das várias rochas que é constituída por urânio.

Enriquecimento do urânio O urânio bruto é limpo por ácido sulfúrico e transformado em pó; Então, é submetido a um gás à base de flúor sob uma temperatura de 550 ºC, se tornando também uma substância gasosa; Esse produto passa por um novo banho de flúor, a 350 ºC, e se transforma no gás hexafluoreto de urânio (UF6); Na difusão gasosa, o UF6 é direcionado contra uma barreira cheia de poros microscópicos; Como o U-235 é menor que o U-238, ele passa pelas membranas porosas mais facilmente; Essa passagem pela barreira é repetida até a concentração de U-235 chegar ao nível desejado de 2% a 4%; Já na ultracentrifugação, o UF6 passa por uma centrífuga, que separa os átomos para obter, também, uma porcentagem de 2% a 4% do urânio-235; Depois, outros processos separam o urânio enriquecido do flúor e o transformam em tabletes sólidos. Após processamento, o urânio é transformado em pó.

Obtenção de combustível nuclear - Plutônio Outro elemento utilizado como combustível nuclear é o Plutônio 239; O isótopo 239Pu é obtido como subproduto do 238U, por meio de reações nucleares; Como o 238U é um elemento radioativo, as reações que ocorrem em seu núcleo são conhecidas como reações de decaimento; Essas reações emitem radiação do tipo beta. 238U + n  →  239U  →  β → 239Np → β→ 239Pu

Reator Nuclear de fissão A fissão nuclear ocorre no reator nuclear da usina; Um reator nuclear é composto por barras de combustível constituídas por cerca de 400 pastilhas pequenas de urânio-235 ou o plutônio-239; Essas barras de combustível são colocadas de maneira intercalada com as barras de controle; As barras de controle são feitas de materiais que absorvem nêutrons sem sofrer fissão; Os nêutrons que foram absorvidos não provocarão novas fissões e a velocidade das reações nucleares diminuirá; Assim é possível controlar a reação em cadeia; As barras de controle também controlam a quantidade de energia que as barras de combustível liberam. Reator nuclear Angra 2.

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Construção de um reator nuclear Em um reator nuclear, existem barreiras para evitar a contaminação do meio ambiente com materiais radioativos: Parede do reator – Blindagem radiobiológica: Essa parede de concreto e chumbo, além de resistir a colisões e ataques, barra a radiação e os nêutrons que eventualmente possam vazar; Parede de aço: Tem três centímetros de espessura e impede que materiais radioativos escapem em caso de acidente; Vaso de pressão: É a primeira embalagem de segurança para proteger o núcleo do reator;

Funcionamento de uma usina nuclear

Central Nuclear Almirante Álvaro Alberto A Central Nuclear Almirante Álvaro Alberto (CNAAA), localizada em Angra dos Reis, conta com duas usinas em operação; A primeira é Angra 1, que entrou em operação comercial em 1985 e tem potência de 640 megawatts; A outra é Angra 2, que começou a operar em 2001 e cuja potência é de 1.350 megawatts; Elas representam 3% da geração de energia nacional; Para os próximos anos, está prevista a entrada em operação de Angra 3, de 1.405 megawatts, que, no momento, está em obras. Central Nuclear Almirante Álvaro Alberto.

Angra 1 Primeira usina nuclear brasileira; Entrou em operação em 1985; Com 640 megawatts de potência, Angra 1 gera energia suficiente para suprir uma cidade de 1 milhão de habitantes; Nos primeiros anos de sua operação, alguns equipamentos prejudicaram o funcionamento da usina; Os problemas foram solucionados em meados da década de 1990, fazendo com que a unidade passasse a operar com padrões de desempenho compatíveis com a prática internacional.

Angra 2 Segunda usina nuclear brasileira; Entrou em operação comercialmente em 2001; Com potência de 1.350 megawatts, Angra 2 é capaz de atender ao consumo de uma cidade de 2 milhões de habitantes; A performance da usina tem sido exemplar desde o início. No final de 2000 e no início de 2001, sua entrada em operação permitiu economizar água dos reservatórios das hidrelétricas brasileiras, amenizando as consequências do racionamento de energia; Em 2009, ocupou a 21ª posição em comparação com as 50 melhores usinas americanas numa análise dos indicadores de desempenho da Associação Mundial de Operadores Nucleares (Wano).

Custos Angra 1 e Angra 2 Angra 1: Segundo o Balanço Anual (2014) da Eletronuclear, publicado no dia 16/04/2015, no Diário Oficial do Estado do Rio de Janeiro, o custo bruto de construção das instalações de Angra 1, atribuído à Eletronuclear, foi de R$ 2.975.330.769,46, realizado até 31 de dezembro de 2014; O custo de produção de uma usina é constituído pelo seu custo de O&M (Operação de Manutenção) e do combustível. O custo de produção, no exercício de 2014, de Angra 1 (em 31/12/2014) foi de R$116,82/MWh, sendo R$94,39/MWh de O&M e R$22,43/MWh de combustível. Angra 2: Segundo o Balanço Anual (2014) da Eletronuclear, publicado no dia 16/04/2015, no Diário Oficial do Estado do Rio de Janeiro, o custo bruto de construção das instalações de Angra 2, atribuído à Eletronuclear, foi de R$ 6.049.149.508,11, realizado até 31 de dezembro de 2014.; O custo de produção de uma usina é constituído pelo seu custo de O&M (Operação e Manutenção) e do combustível.  O custo de produção, no exercício de 2014, de Angra 2 (em 31/12/2014) foi de R$ 91,25/MWh, sendo R$ 70,35/MWh de O&M e R$ 20,89/MWh de combustível.

Angra 3 Quando entrar em operação comercial, em 2018, a nova unidade com potência de 1.405 megawatts; Será capaz de gerar mais de 12 milhões de megawatts-hora por ano; Com Angra 3, a energia nuclear passará a gerar o equivalente a 50% do consumo do Estado do Rio de Janeiro; O empreendimento demandará investimentos totais diretos de cerca de R$ 14,9 bilhões; Até o momento, foram executados 60% das obras civis.

Cenário mundial No mundo existem mais de 430 usinas nucleares e outras estão em processo de construção; A energia nuclear é atualmente responsável por 1,5% da energia produzida no Brasil, e representa 5,1% de toda a energia produzida no planeta; Na França, as usinas nucleares respondem por mais de 76% da eletricidade, e na Ucrânia, por 48%. *Reservas de urânio estimadas cuja extração custa até 130 dólares por quilo. Usina Nuclear de Bugey, localizada na França.

Lixo radioativo A Agência Internacional de Energia Atômica exige que o lixo nuclear seja embalado e armazenado de forma a ficar isolado até que não ofereça mais risco ao meio ambiente e à saúde humana, ou seja, até que deixe de ser radioativo; Os restos dos elementos combustíveis das usinas mantém-se radioativo por milhões de anos; Não há uma solução definitiva sobre como armazenar esse material sem oferecer riscos às populações e ao entorno; No Brasil, rejeitos desse tipo são armazenados em piscinas de resfriamento nas próprias usinas nucleares que os produzem; Geralmente, o destino final desses rejeitos são depósitos subterrâneos, nos quais o material fica em cápsulas de metal, enterrado a centenas de metros; Atualmente, os países produtores de rejeitos de alta atividade discutem qual a melhor solução definitiva para esse lixo. No Brasil, o combustível nuclear usado nos reatores é armazenado nas piscinas de resfriamento.

Fusão nuclear Na fusão nuclear, dois isótopos de hidrogênio se unem para formar um átomo de hélio; Para que a fusão seja possível, são necessárias altas pressões e temperaturas; Nessa reação, há liberação de grande quantidade energia e de um nêutron livre. ¹H - núcleo formado por um próton e nenhum nêutron. ²H - núcleo formado por um próton e um nêutron.

Reator de fusão nuclear Conhecidos como reatores de Tokamak, são destinados somente à pesquisa;   Para uma reação de fusão ter início é necessária uma temperatura na ordem de 100 milhões de graus Celsius; Por meio de reações de fusão nuclear no interior do reator, o plasma é criado a partir de isótopos do hidrogênio; Então, para que as paredes do reator não sejam danificadas devido a altas temperaturas, o plasma não deve tocá-las; Os eletroímãs que compõem o reator, criam um campo magnético toroidal para o confinamento de plasma,de forma a manter o plasma longe das paredes. Visão interna do reator Tokamak.

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Fissão X Fusão Já é utilizada para geração de energia elétrica; Ainda não é utilizada para geração de energia elétrica; A fissão ocorre a temperatura e pressão ambientes; A fusão só ocorre a pressão e temperatura altíssimas; 6 g de urânio, elemento mais usado na fissão, abastecem uma casa com quatro pessoas durante um dia; 6 g de hidrogênio, o elemento químico mais usado na fusão, abastecem uma casa com quatro pessoas por 156 dias; Alto custo de construção, em razão da tecnologia e segurança empregadas; No futuro, servirá para produzir energia de forma mais eficiente e limpa do que a fissão; Existe o risco do reator vazar ou explodir, liberando radioatividade na atmosfera e nas terras próximas, num raio de quilômetros; Na reação de fusão, o hélio formado é gás inerte e não radioativo. O lixo radioativo é considerado um problema.

Referências Bibliográficas Slide 1 - Capa Imagem: http://www.fragmaq.com.br/wp-content/uploads/2014/06/1-usina-nuclear.jpg Slide 2 - Agenda Slide 3 – Introdução Imagem: https://www.ambienteenergia.com.br/wp-content/uploads/2015/05/usina-nuclear.jpg Texto: http://www.infoescola.com/fisica/principios-da-usina-nuclear/ Slide 4 – Fissão nuclear Imagem: http://www.sofisica.com.br/conteudos/curiosidades/imagens/fissao.gif Texto: http://www.alunosonline.com.br/quimica/fissao-nuclear.html http://www.infoescola.com/fisica/principios-da-usina-nuclear/ Slide 5 – Obtenção de combustível nuclear Imagem:http://www.uned.es/cristamine/fichas/uraninita/uraninita2.jpg Texto: http://www.infoescola.com/quimica/enriquecimento-de-uranio/ http://mundoestranho.abril.com.br/materia/o-que-e-o-uranio-enriquecido http://g1.globo.com/ciencia-e-saude/noticia/2010/05/no-brasil-99-do-uranio-e-usado-para-gerar-eletricidade-saiba-mais.html

Referências Bibliográficas Slide 6 – Enriquecimento do urânio Imagem: http://s.glbimg.com/jo/g1/f/original/2010/05/17/yellowcake_.jpg Texto: http://www.infoescola.com/quimica/enriquecimento-de-uranio/ http://mundoestranho.abril.com.br/materia/o-que-e-o-uranio-enriquecido Slide 7 – Obtenção de combustível nuclear - Plutônio Texto: http://www.brasilescola.com/fisica/reacoes-decaimento.htm http://www.infoescola.com/elementos-quimicos/plutonio/ Slide 8 – Reator nuclear de fissão Imagem: https://c2.staticflickr.com/2/1270/700869530_921462a91c_b.jpg Texto: http://www.mundoeducacao.com/quimica/reator-nuclear.htm Slide 9 – Construção de um reator nuclear Imagem: http://www.fem.unicamp.br/~em313/paginas/nuclear/angra2-1.jpg Texto: http://mundoestranho.abril.com.br/materia/como-funciona-uma-usina-nuclear Slide 10 – Funcionamento de uma usina nuclear Imagem:http://www.fem.unicamp.br/~em313/paginas/nuclear/angra2-1.jpg Texto:https://almanaque.abril.com.br/lixo-radioativo

Referências Bibliográficas Slide 11 – Central Nuclear de A Imagem:http://www.eletronuclear.gov.br/Portals/0/CN03%20-%200008a.jpg Texto: http://www.eletronuclear.gov.br/AEmpresa/CentralNuclear.aspx Slide 12 – Angra 1 Imagem: http://www.eletronuclear.gov.br/Portals/0/A101%20-%200068.JPG Texto:http://www.eletronuclear.gov.br/aempresa/centralnuclear/angra1.aspx Tabela:http://www.eletronuclear.gov.br/AEmpresa/CentralNuclear/Informa%C3%A7%C3%B5esAngra1.aspx Slide 13 – Angra 2 Imagem: http://s2.glbimg.com/meuLbepxTpnauYDHFs4niTIlshBola79WkWhq2QH18UHThhKAQmMDQuyJf0nLTFO/e.glbimg.com/og/ed/f/original/2013/09/11/a_2_externa.jpg Texto: http://www.eletronuclear.gov.br/aempresa/centralnuclear/angra2.aspx Tabela:http://www.eletronuclear.gov.br/AEmpresa/CentralNuclear/Informa%C3%A7%C3%B5esAngra2.aspx Slide 14 – Custos Angra 1 e Angra 2 Texto:http://www.eletronuclear.gov.br/Saibamais/perguntasfrequentes/Angra1custos.aspx http://www.eletronuclear.gov.br/Saibamais/perguntasfrequentes/Angra2custos.aspx

Referências Bibliográficas Slide 15 – Angra 3 Imagem: http://www.eletronuclear.gov.br/Portals/0/angra%203%20out%2013.JPG Texto:http://www.eletronuclear.gov.br/aempresa/centralnuclear/angra3.aspx Slide 16 – Cenário mundial Imagem:http://adm.rbc1.com.br/public/ckfinder/userfiles/images/NUCLEAIRE%20-%20EDF.jpg Texto:https://almanaque.abril.com.br/lixo-radioativo Tabela: https://almanaque.abril.com.br/lixo-radioativo Slide 17 – Cenário mundial Imagem:https://almanaque.abril.com.br/lixo-radioativo Slide 18 – Lixo radioativo Imagem: http://ceaam.net/imgs/20110327082647242713u.jpg

Referências Bibliográficas Slide 19 – Fusão nuclear Imagens:http://s1.static.brasilescola.com/img/2013/09/fusao.jpg http://www.alunosonline.com.br/upload/conteudo/images/reacao-de-fusao.jpg Texto: http://mundoestranho.abril.com.br/materia/o-que-e-fusao-e-fissao-nuclear http://www.alunosonline.com.br/quimica/fusaonuclear.html http://www.alunosonline.com.br/fisica/fusao-nuclear.html Slide 20 – Reator de fusão nuclear Imagens: http://www.mundoeducacao.com/upload/conteudo/images/reator-de-fusao.jpg http://www.mundoeducacao.com/upload/conteudo_legenda/b1cb8c8044e7fd242d44073042e686cb.jpg Texto: http://www.mundoeducacao.com/quimica/reator-fusao.htm Slide 21 – Fusão X Fissão