4.1. reatores de fissão nuclear -...

[Cristóvão R M Rincoski] p. 91

A edificação de contenção, em formato de domo, da Usina Nuclear de Shearon Harris, perto de Raleigh, Carolina do Norte

4.1. Reatores de Fissão Nuclear

Num reator nuclear de fissão utiliza-se o urânio natural, na maior parte dos casos − uma mistura de 238U (T1/2 = 4,5 × 109 anos) e de 235U (T1/2 = 713 × 106 anos) − por vezes enriquecido com extra 235U. O 238U tem tendência para absorver os nêutrons de alta velocidade originados pela divisão dos átomos 235U, mas não absorve nêutrons lentos tão rapidamente.


O urânio é um elemento bastante comum na Terra, incorporado ao planeta durante sua formação. O urânio é formado originalmente nas estrelas. O Brasil possui a sexta maior jazida de urânio (309.000t de uranita − UO2 com U3O8), os outros países são (em ordem): “África”, EUA, Canadá, Rússia e França.

Assim, num reator é incluída uma substância moderadora que, juntamente com o urânio, abranda os nêutrons. Então, o 238U por sua vez, já não os absorve tão facilmente estes nêutrons e a fissão continua. As usinas nucleares fornecem cerca de 16% da eletricidade do mundo (dados de agosto de 2008). Alguns países dependem mais da energia nuclear para obter eletricidade que outros. Na França, por exemplo, cerca de 75% da eletricidade é gerada a partir da energia nuclear.

(Fonte: International Atomic Energy Agency − IAEA)

Nos Estados Unidos, a energia nuclear fornece 23% da eletricidade total, mas alguns Estados obtêm mais energia de usinas nuclearesque outros. No Brasil, menos de 3% da energia gerada tem origem das usinas nucleares de Angra dos Reis. Há mais de 400 usinas de energia nuclear ao redor do mundo, sendo mais de 100 nos EUA.

(Fonte: World Nuclear Association − WNA)

1) De onde vem o Urânio?

2) Enriquecimento do Urânio(baseado em http://pt.wikipedia.org/wiki/Urânio_enriquecido)


Urânio enriquecido: quando aumentamos o teor de 235U (urânio-235), através de um processo de separação de isótopos. O urânio encontrado na natureza, sob a forma de dióxido de urânio (UO2), contém 99,284% do isótopo 238U (ou aproximadamente 99,3%, como foi mostrado antes); apenas 0,711% do seu peso érepresentado pelo isótopo 235U (ou aproximadamente 0,7%, como foi mostrado antes).

Porém o 235U é o único isótopo existente físsil na natureza em proporções significativas (este é o verdadeiro “combustível” de um reator de fissão nuclear).

Para provocar uma reação de fissão nuclear nos reatores de água pressurizada (caso de Angra I, II e III), é preciso dispor de um urânio que contenha entre 3% e 5% do isótopo 235. Ambos os isótopos, 235U e 238U, têm as mesmas propriedades químicas. A única diferença física entre eles são os três nêutrons que explicam uma pequena diferença de massa atômica.

Ex.: 3% de 235U e 97% de 238U.


Combustível nuclear: este termo é comumente empregado para designar o material que pode sofrer fissão nuclear, que pode ser utilizado em reatores nucleares para a obtenção de energia. O dióxido de urânio (UO2) é matéria-prima para fabricação do combustível nuclear nos reatores nucleares. Este óxido é muito pobre em urânio físsil ( ), isto é que pode sofrer fissão nuclear. Apenas 0,7% dos átomos de urânio presentes nesse óxido são ( ); os 99,3% restantes são de ( ), não-físsil. Assim, énecessário um novo tratamento para separar o isótopo físsil do isótopo não-físsil. Este tratamento é conhecido como enriquecimento do urânio (como foi visto anteriormente).

U23592

U23892U235

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Um dos processos para realizar o enriquecimento do urânio, consiste em transformar o dióxido de urânio (UO2) no gáshexafluoreto de urânio (UF6) e fazer este gás difundir-se por placas porosas. Com isso, consegue-se separar o (235UF6) do (238UF6) (enriquecimento isotópico).

Em seguida, o gás hexafluoreto de urânio enriquecido (UF6) volta a ser convertido em dióxido de urânio (UO2). Este óxido é o que constituirá finalmente o combustível nuclear.

3) Combustível nuclear


4) Massa Crítica (baseado em http://pt.wikipedia.org/wiki/Massa_crítica)

Massa crítica: de um material fissionável é a quantidade necessária para manter uma reação nuclear em cadeia autosustentada (sustentada por si mesma, isto é, a quantidade de nêutrons necessária para manter a reação é obtida da própria reação). A massa crítica de um material fissionável depende das suas propriedades nucleares, das suas propriedades físicas (a densidade, em particular), a sua forma, e a sua pureza.

Massa supercrítica: uma configuração na qual uma reação em cadeia é alcançada no limite é denominada de crítica, e diz-se, nesse caso, ter-se obtido criticidade. Numa tal configuração, sem introdução de novos nêutrons (por fissão nuclear espontânea, por exemplo), a reação aumentará linearmente. Em uma situação para além do ponto de criticidade (mais nêutrons que o necessário) édenominada de supercrítica.

Massa subcrítica: se uma configuração é menos do que crítica então um fornecimento estável de novos nêutrons livres permitirá àreação de fissão atingir um estado estável. Isto é, novos nêutrons são necessários para que ela atinja a criticidade. Neste caso, a configuração recebe a denominação de subcrítica.


4) Partes de um Reator de Fissão (http://pt.wikipedia.org/wiki/Reator_nuclear)

Combustível: Isótopo fissionável e/ou fértil (aquele que pode ser convertido em fissionável por ativação com nêutrons). Como 235U, 238U, 239Pu, 232Th, ou misturas destes (o combustível típico atualmente é o MOX, mistura de óxidos de urânio e plutônio).

Moderador: Água, água pesada, hélio, grafite, sódio metálico. Cumprem a função de reduzir a velocidade dos nêutrons produzidos na fissão, para que possam atingir outros átomos fissionáveis mantendo a reação.

Refrigerador: Água, água pesada, dióxido de carbono, hélio, sódiometálico. Conduzem o calor produzido durante o processo até a turbina geradora de eletricidade ou ao propulsor.

Blindagem: Concreto, chumbo, aço, água. Evita o escapamento de radiação gama e nêutrons rápidos.

Refletor: Água, água pesada, grafite, urânio. Reduz o escapamento de nêutrons aumentando a eficiência do reator.


Material de controle: Cádmio ou Boro. Finalizam a reação em cadeia, pois são ótimos absorventes de nêutrons. Geralmente são usados na forma de barras (de aço borado, por exemplo) ou bem dissolvido no refrigerador.

Elementos de Segurança (x): Todas as centrais nucleares de fissão apresentam múltiplos sistemas de segurança. Os ativos que respondem a sinais elétricos e os passivos que atuam de forma natural como a gravidade, por exemplo. A contenção de concreto (mistura de areia, cascalho e cimento, empregada em construções − chamado de betão em português de Portugal) que rodeia os reatores é o principal sistema de segurança, evitando que ocorra vazamento de radiação ao exterior.

O núcleo do reator é construído dentro de um forte recipiente de açoque contém varetas de combustível feitas de materiais cindíveis (fissionáveis) colocados dentro de tubos. Estas varetas produzem calor enquanto o combustível sofre a cisão (fissão).


CANDU - Canada Deuterium Uranium: utilizam como moderador água pesada (cuja molécula é composta por dois átomos de deutérioe um átomo de oxigênio – “D2O”) e, como refrigerante, água comum (água leve). Como combustível, usam urânio comum. Existiam 34em operação em 2001.

5) Tipos de Reatores de Fissão(baseado em http://pt.wikipedia.org/wiki/Reator_nuclear)

Atualmente existem vários tipos de reatores nucleares de fissão:

LWR - Light Water Reactors: utilizam como refrigerante e moderador a água leve (água comum – H2O) e, como combustível, o urânio enriquecido. Os mais utilizados são os BWR (Boiling Water Reactorou reator de água em ebulição ) e os PWR (Pressure Water Reactorou reatores de água a pressão), estes últimos considerados atualmente como padrão. Em 2001 existiam 345 em funcionamento.

O 235U tem uma propriedade interessante que o torna útil tanto para produção de energia nuclear quanto para a produção de uma bomba nuclear. O 235U decai naturalmente, assim como o 238U, por radiação alfa, e também sofre fissão espontânea por um pequeno percentual do tempo.

HTGR - High Temperature Gás-cooled Reactor: usa uma mistura de tório e urânio como combustível. Como refrigerante, utiliza o hélio e, como moderador, grafite. Existiam 34 em funcionamento em 2001.

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. Em 2001, existiam 14 desses reatores em funcionamento .

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.

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. Em 2001 havia apenas quatro deles em operação .


6) Esquema de um Reator de Fissão


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 atuais são considerados sistemas de segunda ou terceira geração.

Vista aérea de uma planta nuclear


Funcionamento de um reator nuclear.

Torres de resfriamento (chaminés por onde passam os vapores do resfriamento da água − sistema de água

de refrigeração)

A quantidade de vapor que sai pelas torres, nos dá uma idéia da temperatura em que a água no circuito secundário pode chegar (pode ser de mais de 3000 C).


Reator de água pressurizada (PWR) −Angra I, II e III

ReatorRadiador


7) Acidentes NuclearesHinrichs, R.A.; Kleinbach, M. “Energia e Meio Ambiente”,

Pioneira Thomson Learning, SP, 2003.

A década de 1960 foi marcada por um forte otimismo, e previa-se que a energia nuclear seria capaz de gerar eletricidade barata, comparada à obtida de carvão e petróleo. Também se acreditava que ela seria o substituto ideal para as fontes de petróleo e gás natural que estavam se esgotando, e considerava-se que havia poucos problemas ambientais a ela associados.Porém na década de 1970, aumentou a inquietação quanto àsegurança da energia nuclear. Embora muitos dos temores fossem infundados, numerosos protestos cercaram a construção de usinas nucleares.

Principais acidentes nucleares:CARDOSO, E. M., et all. “Apostila Educativa Energia Nuclear”, CNEN

Acidente Nuclear: um acidente é considerado nuclear, quando envolve uma reação nuclear ou equipamento onde se processe uma reação nuclear.


1) Em março de 1979, o primeiro grande acidente em uma usina comercial norte americana ocorreu no reator de Tree Mile Island(TMI), próximo de Harrisburg, Pensilvânia. Embora ninguém tenha perdido a vida e os sistemas de segurança do reator tenham funcionado, milhares de pessoas foram evacuadas, e mesmo os especialistas não tiveram certeza, por vários dias após o evento inicial, se haveria alguma liberação maciça de material radioativo.(magnitude 5)

Filosofia de Segurança: o perigo potencial na operação dos Reatores Nucleares é representado pela alta radioatividade 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 as Usinas Nucleares sejam projetadas, construídas e operadas com os mais elevados padrões de qualidade e que tenham condições de alta confiabilidade.

História do Acidente: o incidente começou às quatro horas da manhã (como o reator operando em capacidade total), quando uma bomba de água de alimentação parou de funcionar. De acordo com o procedimento, uma bomba auxiliar foi ativada e o reator foi “escondido”. Porém a temperatura no reator começou a subir porque a remoção de calor nos geradores não tinha a taxa adequada.

Para compensar a situação, uma válvula de escape no vaso do reator foi ativada para liberar um pouco de vapor. Entretanto, esta válvula deixou de fechar quando a pressão retornou ao normal. Além disso, no circuito secundário não havia água de alimentação chegando ao sistema, porque uma válvula localizada entre a bomba auxiliar e o gerador estava acidentalmente fechada, e a luz de aviso na sala de controle estava escondida por uma etiqueta.

O circuito de refrigeração primário do reator continuou a expelir água e vapor radioativos através da válvula de escape para o interior do edifício de confinamento. O Emergency Core Cooling Systems (ECCS − Sistema de Resfriamento Emergencial do Núcleo − toda planta nuclear possui um) foi ativado, mas foi parcialmente fechado pelo operador.

Ele só foi totalmente aberto oito minutos mais tarde. A água radioativa do reator continuou a ser despejada no edifício e foi automaticamente bombeada para um edifício auxiliar. O calor do decaimento dos elementos combustíveis continuou a evaporar a água no vaso do reator, levando a danos significativos no núcleo −uma fusão (derretimento) do núcleo do reator.


Depois de aproximadamente duas horas, a válvula de escape foi totalmente fechada, mas uma fração significativa do núcleo ficou descoberta.

2) Em abril de 1986, um acidente muito mais grave ocorreu na usina nuclear de Chernobyl, próximo a Kiev, no que era então a União Soviética. Um experimento mal-concebido levou a uma grande onda de potência, que causou uma explosão de vapor e um incêndio, quevirtualmente destruiu a usina, resultando em uma liberação de grandes quantidades de radioatividade. (magnitude 7)

A alta temperatura atingida pelo núcleo, antes que o ECCS fosse ativado, causou danos nos elementos combustíveis, que liberaram fragmentos de fissão no interior do vaso e do edifício do reator. Nestas elevadas temperaturas, o vapor reagiu com o revestimento dos elementos combustíveis para formar gás hidrogênio, o que levou à formação de uma bolha de hidrogênio no topo do vaso do reator.


A bolha permaneceu ali, por vários dias, causando uma grande preocupação nos especialistas nucleares, que temiam que uma explosão do hidrogênio pudesse ocorrer, rompendo o vaso. Com certeza, houve uma fusão parcial do núcleo, mas os sistemas de segurança aparentemente funcionaram.

Um pouco de gás radioativo foi liberado na atmosfera nos primeiros dias; devido a isto é esperado que uma morte adicional, por câncer na população em geral, é esperada devido ao aumento de dosagem de radiação.


História do Acidente: a Unidade 4 de Chernobyl empregava um projeto de reator RBMK (Reactor Bolshoy Moshchnosty Kanalny −como já foi visto nos tipos de reatores), significativamente diferente dos reatores em qualquer parte do mundo. O reator gerava 1.000 MW e foi completado em 1983.

Os elementos combustíveis do RBMK localizam-se em tubos de pressão separados, colocados em um bloco moderador de grafite. Aágua passa através dos tubos e segue para os geradores a vapor (como nos PWRs). Embora o reator incorpore um série de barreiras entre a radioatividade e o ambiente, não havia um vaso de contenção adequado para suportar a explosão do núcleo.

Em 26 de abril, o reator da Unidade 4 estava operando em baixa potência para permitir que os operadores realizassem testes (não-autorizados) do gerador elétrico.

Diversos sistemas de emergência foram desligados para os testes.Em baixo nível de potência, o reator RBMK se torna altamente instável. Repentinamente, em segundos, a potência do reator aumentou para 100 vezes o valor máximo. Os elementos de controle só podiam ser inseridos lentamente, e com os sistemas de segurança desligados, a temperatura subiu rapidamente.


Os elementos combustíveis derreteram e geraram uma enorme quantidade de vapor, que explodiu com o topo do reator.

Reator de Chernobyl após a explosão.

Blocos incandescentes de grafite e combustível radioativo foram lançados no edifício do reator, finalmente explodindo o seu teto e permitindo que um grande cogumelo radioativo do grafite se elevasse a 5.000 m na atmosfera, de onde ele foi levado na direção noroeste.


Entretanto, este sarcófago com a altura de um edifício de dez andares é instável e está decaindo, e não está impermeabilizado contra a água da chuva.

A explosão liberou dez vezes mais radiação do que a bomba de Hiroshima, aproximadamente 100 milhões de curies:

108 Ci = 3,7 × 1018 Bq.

A nuvem radioativa de Chernobyl (contendo 137Cs e 131I) produziu um padrão errático de queda de radiação através da Europa Ocidental. Localidades na Suécia registraram valor de radiação 100 vezes maiores do que a radiação de fundo (ambiente), enquanto cidades ao redor de Chernobyl receberam doses muito maiores.

Somente após 36 horas foi ordenada a evacuação da cidade de Pripyat (5 km na direção do vento), com uma população de 45.000habitantes. Ao todo aproximadamente 160.000 pessoas foram evacuadas da área vizinha (em um raio de 30 km). Pode ser que dez ou vinte anos transcorram antes que os habitantes de Pripyatpossam retornar para suas casas.

Para lidar com o acidente e estancar o fogo, helicópteros lançaram toneladas de areia para abafar as chamas, boro para absorver as emissões de nêutrons, e chumbo para blindagem. Hoje, o reator estáem 300.000 toneladas de concreto.


Um novo material do tipo espuma, o Ekor, poderá ser utilizado para encapsular este material radioativo visando minimizar o impacto nas águas subterrâneas. O interior permanece quente devido ao calor do decaimento radioativo. Durante meses após o acidente, produtos contaminados e laticínios da Europa Ocidental e Oriental foram banidos do mercado. Mesmo as vacas que eram mantidas em ambientes fechados, longe dos pastos contaminados, inalaram material radioativo suficiente para contaminar o seu leite.

Aproximadamente 77.500 km2 de área agrícola foram contaminadas. Há ainda uma preocupação com a contaminação do ar e das águas subterrâneas de milhões de pessoas, devido a presença de pequenos sítios onde resíduos radioativos de alto teor foram simplesmente descartados.

O acidente de Chernobyl ainda nos fornece lições a serem aprendidas. Ele resolveu o debate sobre a possibilidade de ocorrência do pior tipo de acidente possível − Síndrome da China.

Este acidente resultou em 31 mortes imediatas, na hospitalização de centenas de pessoas, e na contaminação de lavouras e água na Europa Ocidental.

Embora não tenha havido mortes entre a população em geral como conseqüência direta do acidente (as mortes resultantes da exposição aguda à radiação e de queimaduras térmicas ocorreram entre os funcionários da usina e bombeiros), estima-se que a nuvem de Chernobyl irá causar por volta de 42.000 mortes adicionais por câncer ao redor do planeta nos próximos 50 anos.

Já que não existem registros e que os cânceres causados por radiação podem levar até dez anos para serem detectados, este número é especulativo e baseado em estimativas sobre doses médias de radiação e seus efeitos nos seres humanos (fora o dano causado à natureza).

Esta estimativa de mortalidade representa um pequeno aumento na porcentagem de câncer natural ou espontâneo na região. Além da zona de 30 km ao redor de Chernobyl, o aumento de risco de câncer fatal é estimado em 0,01%, o que não é detectável. O que mais foi observado clinicamente foi um grande aumento de câncer de tireóide em crianças.


Conclusão: mais de 45.000 pessoas foram evacuadas (perdendo as suas casas e seu modo de vida − Pripyat, ainda hoje, é uma cidade fantasma), e a propagação de uma nuvem radioativa sobre o norte da Europa contaminou suprimentos de alimentos e água.


Alguns acidentes nucleares, até 1998:http://ambientes.ambientebrasil.com.br/energia/nuclear/principais_acidentes_nucleares_(

ate_1998).html

Em 1957 escapa radioatividade de uma usina inglesa situada na cidade de Liverpool. Somente em 1983 o governo britânico admitiria que pelo menos 39 pessoas morreram de câncer, em decorrência da radioatividade liberada no acidente.

Em setembro de 1957, um vazamento de radioatividade na usina russa de Tcheliabinski contamina 270 mil pessoas.

Em dezembro de 1957, o superaquecimento de um tanque para resíduos nucleares causa uma explosão que libera compostos radioativos numa área de 23.000 km2. Mais de 30 pequenas comunidades, numa área de 1.200 km², foram riscadas do mapa na antiga União Soviética e 17.200 pessoas foram evacuadas. Um relatório de 1992 informava que 8.015 pessoas já haviam morrido até aquele ano em decorrência dos efeitos do acidente.

Em janeiro de 1961, três operadores de um reator experimental nos Estados Unidos morrem devido à alta radiação.


Em outubro de 1966, o mau funcionamento do sistema de refrigeração de uma usina de Detroit causa o derretimento parcial do núcleo do reator.

Em janeiro de 1969, o mau funcionamento do refrigerante utilizado num reator experimental na Suíça, inunda de radioatividade a caverna subterrânea em que este se encontrava. A caverna foi lacrada.

Em março de 1975, um incêndio atinge uma usina nuclear americana do Alabama, queimando os controles elétricos e fazendo baixar o volume de água de resfriamento do reator a níveis perigosos.

Em março de 1979, a usina americana de Three Mile Island, na Pensilvânia, é palco do pior acidente nuclear registrado até então, quando a perda de refrigerante fez parte do núcleo do reator derreter.

Em fevereiro de 1981, oito trabalhadores americanos são contaminados, quando cerca de 100 mil galões de refrigerante radioativo vazam de um prédio de armazenamento do produto.


Durante a Guerra das Malvinas, em maio de 1982, o destróier britânico Sheffield afundou depois de ser atingido pela aviação argentina. De acordo com um relatório da Agência Internacional de Energia Atômica, o navio estava carregado com armas nucleares, oque põe em risco as águas do Oceano Atlântico próximas à costa argentina.

Em janeiro de 1986, um cilindro de material nuclear queima após ter sido inadvertidamente aquecido numa usina de Oklahoma, Estados Unidos.

Em abril de 1986 ocorre o maior acidente nuclear da história (atéagora), quando explode um dos quatro reatores da usina nuclear soviética de Chernobyl, lançando na atmosfera uma nuvem radioativa de cem milhões de curies (3,7 × 1018 Bq como foi visto −nível de radiação 6 milhões de vezes maior do que o que escapara da usina de Three Mile Island), cobrindo todo o centro-sul da Europa. Metade das substâncias radioativas voláteis que existiam no núcleo do reator foram lançadas na atmosfera (principalmente iodo e césio).


Em setembro de 1987, a violação de uma cápsula de césio-137 por sucateiros da cidade de Goiânia, no Brasil, mata quatro pessoas e contamina 249. Três outras pessoas morreriam mais tarde de doenças degenerativas relacionadas à radiação.

Em junho de 1996 acontece um vazamento de material radioativo de uma central nuclear de Córdoba, Argentina, que contamina o sistema de água potável da usina.

Em dezembro de 1996, o jornal San Francisco Examiner informa que uma quantidade não especificada de plutônio havia vazado de ogivas nucleares a bordo de um submarino russo, acidentado no Oceano Atlântico em 1986. O submarino estava carregado com 32ogivas quando afundou.

Em março de 1997, uma explosão numa usina de processamento de combustível nuclear na cidade de Tokai, Japão, contamina 35empregados com radioatividade.

Em maio de 1997, uma explosão num depósito da Unidade de Processamento de Plutônio da Reserva Nuclear Hanford, nos Estados Unidos, libera radioatividade na atmosfera (a bomba jogada sobre a cidade de Nagasaki na Segunda Guerra mundial foi construída com o plutônio produzido em Hanford).


Em junho de 1997, um funcionário é afetado gravemente por um vazamento radioativo no Centro de Pesquisas de Arzamas, na Rússia, que produz armas nucleares.

Em julho de 1997, o reator nuclear de Angra 2, no Brasil, édesligado por defeito numa válvula. Segundo o físico Luiz Pinguelli Rosa, foi "um problema semelhante ao ocorrido na usina de Three Mile Island", nos Estados Unidos, em 1979.

Em outubro de 1997, o físico Luiz Pinguelli adverte que estava ocorrendo vazamento na usina de Angra 1, em razão de falhas nas varetas de combustível.


http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnicaAula.html?aula=2065http://www.iaea.org/OurWork/ST/NE/Pess/RDS1_flash_charts.shtml

Consumo de energia no mundo


Consumo de energia nuclear no mundo (2004) e previsão de implantação de novas plantas nucleares.

Investimentos governamentais nos EUA em 2006


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