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Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Central Nuclear Maio 2015

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Trabalho breve sobre o funcionamento de uma central nuclear.

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Escola Politcnica da Universidade de So Paulo

Central Nuclear

Maio 2015

Ricardo Mutti 8041925

PMR2445 Sistemas Trmicos para Mecatrnica

RESUMOO tema desse artigo foi escolhido em funo de mostrar o que est por trs das grandes usinas nucleares e assim tambm aprender um pouco sobre a energia nuclear e as formas principais de como lidar com ela.

A obteno de energia eltrica atravs de uma matriz nuclear tem crescido muito nas ultimas dcadas. Por sua implementao no necessitar de nenhuma caracterstica externa muito marcante, como um potencial elico ou um grande rio no caso das hidroeltricas.

A central nuclear planta bsica da obteno de energia via fisso nuclear, o estudo de seu funcionamento essencial pra melhor compreenso da dinmica envolvida na transformao de radiao em energia eltrica.

Introduo

A primeira usina nuclear do mundo foi inaugurada em 1954, em Obininsk, na antiga Unio Sovitica. Hoje em dia centrais nucleares fornecem cerca de 17% da energia eltrica do mundo. Como citado no resumo as usinas nucleares no dependem tanto do meio onde sero instaladas. O uranio no enriquecido, matria prima da maioria das centrais nucleares, abundante na crosta terrestre e a energia por quilo de uranio supera todos os outros combustveis usados nos outros tipos de usinas eltricas. A principal desvantagem das centrais nucleares que elas produzem resduos radioativos que devem ser guardados em segurana por vrios anos, ate perder sua periculosidade. Alm disso acidentes como o que aconteceu recentemente na a usina nuclear Daiichi, em Fukushima,plantam um pouco de receio em volta dessa tecnologia. Uma central nuclear tem funcionamento bem parecido com uma usina termoeltrica. Tanto a nuclear como a trmica usam o calor proveniente do tratamento de uma matria prima, no caso da trmica a queima do carvo, a fisso do uranio/plutnio no caso da nuclear. O calor obtido nessa fase usado pra gerar vapor e esse vapor utilizado pra girar turbinas acopladas a geradores eltricos. O funcionamento anlogo porem diferem em particularidades que sero evidenciadas a seguir. Para entender o funcionamento completo do processo, partiremos da fisso nuclear do uranio, onde se gera o calor, passaremos pelas turbinas a vapor e terminaremos na torre de refrigerao da gua do processo.

Fisso Nuclear

Fisso nuclear o nome dado a quebra do ncleo de um tomo instvel em do tomos menores, essa quebra acontece quando uma outra partcula com um nutron atinge o ncleo do tomo e o divide. Porm a soma da massa dos dois tomos menores resultantes no igual ao primeiro tomo, ela menor. Essa diferena foi transformada em energia segunda a famosa formula como a velocidade da luz por volta de a liberao de energia muito grande, alm disso segundo a formula abaixo, vemos que a reao gera 3 mais nutrons que voltam a colidir com outros tomos do uranio e geram um reao de cadeia que produz muita energia.

Tabela comparativa do contedo energtico dos principais combustveis:

CombustvelProduz cerca de

1Kg de Madeira2 KWh

1Kg de Carvo3 KWh

1kg de leo4 KWh

1Kg Gs Natural6 KWh

1Kg de Urnio*60.000 KWh

http://www.eletronuclear.gov.br/Portals/0/RIMAdeAngra3/04_usinas.html

*Usina PWR.

Pela tabela vemos o quanto de energia um quilo de uranio produz, essa quantidade de energia capaz de manter uma lmpada incandescente de 60W acessa por 1000 anos!

Gerador Nuclear

Existem varias configuraes para um gerados nuclear, as mais consolidadas so as PWR e a BWG.

PWR - Pressurizad Water Reactors

As usinas que usam a configurao PWR mantem a gua, que entra em contato com o calor da fisso nuclear, pressurizada e assim ela no evapora. Essa gua em altssima temperatura aquece outro tanque de gua e faz a gua nesse outro tanque se evaporar e esse vapor que movimenta as turbinas. Ento nas usinas PWR h uma separao entra a gua que aquecida diretamente pela fuso nuclear e a gua (vapor) que gira as turbinas pra obteno de energia eltrica.Esse vapor resfriado externamente. A refrigerao externa pode ser por um rio local ou por torre de refrigerao.Essa configurao a mais utilizada hoje em dia pois apresenta uma separao segura das aguas, a gua que passa pelas turbinas permanecem sempre puras e podem ser despejas diretamente nos rios/torres de resfriamento.

BMR Boilin Water Reactors

As usinas que usam a configurao BWR faz com que a gua que aquecida diretamente pela fisso nuclear passem pelas turbinas e resfriado externamente. O risco de contaminao nessa configurao maior que na PWR.

Reator nuclear usina PWR

Dentro do recipiente verde ocorre a transferncia de calor entre a agua e as varetas combustveis, essas varetas tem internamente pastilhas de uranio enriquecido e sofrem a fisso nuclear liberando calor, a gua ento aquecida, pressurizada, para se manter liquida. Depois a gua bombeada pelo sistema em vermelho para dentro dos trocadores de calor em azul, esse trocadores fazem a comunicao entre a gua pesada (gua em contado com as varetas) com a agua que ser vaporizada e injetada nas turbinas. Esse sistema da foto conhecido como gerador nuclear e tem como funo bsica esquentar a gua que esquenta a gua que movimenta as turbinas (configurao PWR).

Turbinas a vapor

Depois que a segunda gua aquecida e transformada em vapor, ela injetada na turbina por dutos. A gua que entra na turbina passa por 3 fases, a primeira a turbina de alta presso, a mais a esquerda na imagem, depois de passar pela turbina de alta presso o vapor conduzido para outras duas turbinas de baixa presso e depois o vapor desce pelos dutos e refrigerado externamente, seja por um rio ou por uma torre de resfriamento, apos a refrigerao e condensao do vapor ele volta ao reator nuclear e novamente aquecido. No outro extremo do eixo da turbina se encontra o gerador de energia eltrica, que gera eletricidade atravs da rotao de seu eixo.

Turbina de uma usina nuclear

Refrigerao externa

A refrigerao de uma usina PWR pode ser feita de duas maneiras a primeira por uma torre de resfriamento e a outra por um rio local.

Rio local A refrigerao por um rio local bem simples, a agua que sai das turbinas de baixa presso a uma temperatura elevada despejada em um rio anexo da usina e a gua que volta pro condensador a bombeada do rio de um lugar diferente. O rio costuma ser grande e com boa circulao para que a quantidade de gua despejada nele no aumente sua temperatura significativamente.

Torre de resfriamento

As torres de resfriamento hiperblicas, smbolo clssico das usinas nucleares, so utilizadas para liberar energia trmica no ambiente e resfriar assim o vapor dgua das turbinas, seu principio de funcionamento usa a conveco natural, sua base apresenta gua fria circulando o vapor que chega na torre borrifado de cima pra baixo em direo a agua fria e a conveco natural faz o resto, cerca de apenas 2% da agua evapora.

Esquema de dentro de uma torre de resfriamento

Diagrama completo de uma central nuclear:

1 (gua 1) Ocorre a fisso nuclear no gerador, isso gera grande quantidade de energia essa energia serve pra aquecer a agua do gerador e essa agua pra evaporar a agua que vai nas turbinas.

2 (gua2) O vapor de agua utilizado pra girar as turbinas e assim girar o gerador de energia eltrica

3 (gua3) A gua que sai das turbinas resfriada.

Os circuitos de uma usina nuclear