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Recursos Energéticos e Meio Ambiente

Professor Sandro Donnini Mancini

18 - Energia Nuclear

Sorocaba, Maio de 2016.

Instituto de Ciência e Tecnologia de Sorocaba

ÁTOMO

A Energia Nuclear é baseada no fato de que núcleos pesados (U, Th, Ba) não conseguem manter-se estáveis e tem decaimento espontâneo.

Eletrosfera – Energia Elétrica

Núcleo – Energia Nuclear

http://vemqueteexplico.blogspot.com.br/2013/01/numero-atomico-e-numero-de-massa.html

http://www.mundoeducacao.com/quimica/diferenca-entre-numero-massa-massa-atomica.htm

Massa Atômica

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Radioatividaderadiações

O decaimento pode se dar de três formas:

α - perda de um núcleo de hélio (2 p + 2 n)

β - perda de elétronsγ - radiação eletromagnética

Emissão de raios α e β pressupõe alteração de massa, podendo ser formado outro elemento.

Hinrichs, R.A. e Kleinbach, M. Energia e

Meio Ambiente. Trad. F.M. Vichi e

L.F.Mello. São Paulo, Ed. Thomson,

2003

Hinrichs, R.A. e Kleinbach, M. Energia e

Meio Ambiente. Trad. F.M. Vichi e

L.F.Mello. São Paulo, Ed. Thomson, 2003

Quaisquer radiações têm energia.Luz visível e ondas de rádio inclusive

A maioria tem pouca energia, causando poucos danos → Calor (sem rompimento de tecidos ou início de reações bioquímicas)

Raios α, β e γ têm alta energia porém, como qualquer radiação, o alcance é limitado.

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Hinrichs, R.A. e Kleinbach, M.

Energia e Meio Ambiente.

Trad. F.M. Vichi e L.F.Mello.

São Paulo, Ed. Thomson, 2003

1 rad = 10-5J absorvidos / g de tecido atingido

Dose Letal média em humanos

(para provocar morte em 1 mês)

DL50 ~ 500 rads

Tecidos humanos mais sensíveis à radioatividade:

Parede do intestino, Baço, Gônadas e Medula Óssea

Meia-Vida Física (T1/2f)

Meia-Vida Biológica (T1/2f)Tempo para que metade da radioatividade absorvida por uma pessoa seja eliminada

IsótopoÁtomo semelhante ao mais abundante, com o mesmo número deprótons e diferentes números de nêutrons.

Hinrichs,

R.A. e

Kleinbach,

M. Energia

e Meio

Ambiente.

Trad. F.M.

Vichi e

L.F.Mello.

São Paulo,

Ed.

Thomson,

2003

Tempo que uma substância radioativa leva para sofrer metade da desintegração possível

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Fellenberg, G.

Introdução aos

Problemas da

Poluição Ambiental.

São Paulo, Editora

da USP, 1980, 195p.

Usos da Radioatividade:

Fontes de radioatividade para seres vivos (junto com a radioatividade natural)

RadônioRaios Cósmicos

Radiação Terrestre (pela presença de radioativos além do Rn)

Somadas à artificiais recebidas de alimentos (fertilizantes contém P e K), raios X, medicina nuclear, testes nucleares, ciclo do combustível (próximo a usinas, etc.), TV,

rádio, ocupacionais etc.

�Bélicos;

�Medicina Nuclear;

�Desinfecção de águas e alimentos;

�Energia Nuclear.

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Hinrichs,

R.A. e

Kleinbach,

M. Energia

e Meio

Ambiente.

Trad. F.M.

Vichi e

L.F.Mello.

São Paulo,

Ed.

Thomson,

2003

56% da radiação = derivados do Rn – gás com T1/2f de 3,8 dias

238U → 234Th → 234Pa → 230Th → 226 Ra → 222 Rn222Rn → 218Po → 214Pb → 214Bi → 210Ta → 210Pb → 210Bi → 206Pb

http://www.ifm.liu.se/courses/tfyy50/decayseries.pdf

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http://www.ccnr.org/radon_chart.html

Efeitos Fisiológicos de radiações de elevada energia

�Multiplicação celular descontrolada (câncer);

�Destruições de proteínas enzimáticas e estruturais vitais;

�Mutações genéticas (hereditárias),↓ a vitalidade do indivíduo

MEDICINA NUCLEAR

1) Diagnósticos

Utiliza radiofármacos como traçadores, emissores de raios γγγγ

Normalmente 99Tc, 131I, 67Ga – ossos, miocárdio, tireóide e pulmões

2) Tratamento – radioterapia

Bombardeio externo (teleterapia) ou interno (braquiterapia) de tumores

Raios X de alta energia, Raios γ (60Co) Próstata (125I, 103Pd), Mama (192Ir)

http://faculty.virginia.edu/metals/cases/prescott2.html

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Fissão nuclear: combustível – bastões de U e/ou Pu

Reatores (termoeletricidade – vapor gerado gira turbina)

Mais comum com 235U (0,7% do urânio natural). Ocorre a partir

da captura de um nêutron. Uma das reações mais comuns é:

n + 235U → 236U → 91Kr + 142Ba + 3n

Reação Auto-sustentável:pelo menos 1 nêutron reage com 235U.

Reação em cadeia: os outros dois nêutrons também reagem.

Interrupção: Cd ou B (em barras), capturam nêutrons:

Elementos de Controle

Outras reações geram produtos indesejáveis como: Pu, Am e Cs.

Usinas Nucleares

Combustível possui 97-98% 238U e 2-3% de 235U

Elemento combustível: pastilhas de cerca de 1cm de diâmetro e

espessura colocadas em tubos de zircônio justos com ~ 4m

Reatores

BWR = Boiling Water ReactorReator de água fervente, feito de aço espessoBarreira aço e concreto (até 1,80m de espessura) em volta do reator. Prédio hermético envolvendo a primeira barreira.

PWR = Pressurized Water ReactorReator de água pressurizada - Angra

Angra = 3cm de aço e 70cm de concreto

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Hinrichs,

R.A. e

Kleinbach,

M. Energia

e Meio

Ambiente.

Trad. F.M.

Vichi e

L.F.Mello.

São Paulo,

Ed.

Thomson,

2003

Angra

400 pastilhas contendo 3% de 235U (cilindro de 1cm de diâmetro e 1cm de altura) preenchem um tubo de zircaloy. 235

dessas varetas e 21 tubos-guia contendo barras de controle formam um elemento combustível (feixe).

Hinrichs,

R.A. e

Kleinbach,

M. Energia

e Meio

Ambiente.

Trad. F.M.

Vichi e

L.F.Mello.

São Paulo,

Ed.

Thomson,

2003

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Ciclo do Combustível Nuclear

Hinrichs, R.A. e Kleinbach, M. Energia e Meio Ambiente. Trad. F.M. Vichi e L.F.Mello. São Paulo, Ed. Thomson, 2003

Ciclo do Combustível Nuclear no Brasil

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1ª Etapa - Mineração (a céu aberto ou no subsolo) de rochas que contenham U3O8

Lagoa Real / Caetité – mineração e beneficiamento do minério quantidade é suficiente para abastecer

Angra I, II e III por 100 anos

Caldas – reservas já não são mais viáveis tecnicamente Ceará – U3O8 em rochas fosfatadas (11% de P2O5 e 998ppm de U3O8)

http://www.inb.gov.br/pt-br/WebForms/interna2.aspx?secao_id=48

Reservas Mundiais Produção Mundial

http://www.inb.gov.br/pt-br/WebForms/interna2.aspx?secao_id=49

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INB (Indústria Nucleares do Brasil) Caetité Capacidade de 400 t de concentrados de urânio / ano

Em 2006 a produção foi de 230 t e o Brasil importou mais 196 t.

2ª Etapa – Beneficiamento do Minério para produção do bolo amarelo

Processo: Britagem + lixiviação com H2SO4

Bolo Amarelo (mínimo de 65% de U3O8)

Fonte: www.inb.gov.br

Extração do U3O8 por solventesorgânicos e posterior precipitação.Finalizando: secagem

acondicionamento

3ª Etapa – Conversão do Bolo Amarelo em UF6

Bolo amarelo é enviado ao exterior. Urânio é dissolvido e purificado, obtendo-se o urânio em nível nuclear. O tratamento deste com HF gera o UF6.

Fonte: www.inb.gov.br

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4ª Etapa – Enriquecimento do UF6 – também no exterior

O urânio natural contém apenas 0,7% de 235U, que é físsil. O restante, 99,3% é 238U. A idiia do enriquecimento é obter até 3% de 235U em meio a 238U.

Técnica usada – difusão gasosa → O UF6 na forma de gás é forçado contra barreiras porosas ( ↓massa, ↑ velocidade). Demanda 10% da energia produzida com a fissão.

Aramar – desenvolveu método de ultracentrifugação do gás UF6 dentro de tubos. Por este método, o 238U tende a migrar para as paredes dos tubos e o 235U no centro, ou seja, nesta região, o percentual de 235U é maior. Este gás enriquecido em 235U é succionado para uma outra centrífuga, onde o processo se repete e o percentual de 235U aumenta mais um pouco. Após a passagem por uma cascata de centrífugas, o percentual desejado foi atingido.

5ª Etapa – Reconversão: de UF6 a UO2

O UF6 enriquecido será aquecido a 100oC para tornar-se gás e ser misturado com CO2 e NH3 num tanque com água. Forma-se então o TCAU (tricarbonato de amônio e uranila) sólido amarelo insolúvel em água: precipita. Por filtração rotativa à vácuo obtém-se o pó de TCAU que é posteriormente seco e direcionado a um forno de leito fluidizado a 600oC onde reagem com H2 e vapor d’água, formando UO2 em pó depois estabilizado com N2 e ar. Em homogeinizadores (caixas giratórias) o UO2 é misturado com o U3O8, também em pó. Essa mistura é prensada na forma de pastilhas e sinterizada a 1750oC.

Fonte: www.inb.gov.br

Fonte: www.inb.gov.br

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5ª Etapa – Reconversão: de UF6 a UO2 (fotos)

Fonte: www.inb.gov.br

Pó de UO2

Pastilhas prontas para serem colocadas nas varetas

Fábrica de Combustíveis NuclearesINB – Resende-RJ

Capacidade - 160 t/ano de pó de UO2120 t/ano de pastilhas

6ª Etapa – Montagem do Elemento Combustível

INB - Resende-RJ

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Ciclo do Combustível Nuclear no Brasil

ATLAS de Energia Elétrica do Brasil. Agência

Nacional de Elétrica do Brasil. 1a Edição.

Brasília, 2003. Disponível em

http://www.aneel.gov.br. Acesso em 23 jan

2004.

ELETRONUCLEAR

CentralNuclear

Almirante Álvaro AlbertoCNAAA

Duas usinas termonucleares em Angra dos Reis-RJ, na Praia de Itaorna. Vantagens do local: proximidade com centros consumidores e portos e bom lugar para captação e despejo de água de resfriamento.

50% da capacidade instalada de geração de eletricidade do RJ 47% da geração de eletricidade do RJ

Angra I – 657 MWInício da construção: 1972Início da operação comercial: 1985

Angra II – 1350 MWInício da construção: 1976Início da operação comercial: 2001Maior gerador elétrico do hemisfério sul

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Produção:Em 2014 – 2,5% da eletricidade ofertada no Brasil

1,3% da energia ofertada no Brasil

Angra II Angra I

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Angra 3 – “espelho” de Angra 2 – custo R$ 7 bilhões

�Reator PWR – Fabricante alemã – GHH gmbh;�Potência: 3765 MWt e 1350 MWe (eficiência térmica de 40%);

�Vida útil: 40 anos;�Água é aquecida a 320oC e mantém-se líquida por 150 atm;�Energia gerada em 60Hz e 25kV, transformada para 500 kV;�Atualmente há 3 linhões – 2 para o RJ e 1 para SP;�Com Angra 3 haverá um quarto, também para o RJ;�Queima de diesel para Caldeira Auxiliar e de dois geradores de emergência – não serão operados continuamente;�Captação de 60 m3/s de água do mar para refrigeração do circuito secundário;�Despejo de 60m3/s de água 3-6oC mais quente que o rio no rio Piraquara de Fora.

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Rejeitos Radioativos

Tratamento – esperar o decaimento (normalmente dez meias vidas).

O que fazer?

Encapsulamento do combustível sem serventia em vidro e/ouconcreto, colocação em tambores de aço e depositados emgeleiras, minas de sal abandonadas e no fundo dos oceanos(~6.000m).

Rejeitos Sólidos – o grande problema (2.000 t/ano nos EUA)Um ano de funcionamento de usina de 1MWe - 2 m3 de “lixo“ nuclear

~4% do combustível exaurido contém elementos indesejáveis como Pu, Am e Cs.

Disposição deve ser muito segura, pois tem que durar milênios.

Decaimento gera calor (pode facilitar entrada de líquidos)

Decaimento inicial dos rejeitos do reator –piscina - resfriamento

Encapsulamento em concreto e estocagem –rejeitos de baixo potencial radiativo

(roupas, luvas...)

Rejeitos de alto potencial radioativo (combustível exaurido) de Angra estão dentro da conteção (prédio do reator)

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Poluição do solo

Poluição da Água

* Água do reator (com trítio, do bombardeio do LiOH contidona água), quando necessita ser trocada.Adiciona-se LiOH para controlar o pH da água, pois coloca-se ácido bóricocomo moderador.

“Piscinas” revestidas onde aguarda-se decaimento

Injeção em poços de petróleo secos

* Água de resfriamento – descarte em corpos d’água

disposição do resíduo sólido

em atividades de beneficiamento do minériohttp://w

ww

.oecd-nea.org/pub/techroadmap/techroadm

ap-2015.pdf

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Energia Nuclear no mundo : 5,7% da energia mundial em 2010

4,8% da energia mundial em 2012 e 2014

12,9% da eletricidade mundial em 2010

10,9% da eletricidade mundial em 2012

10,6% da eletricidade mundial em 2014

Energia Nuclear no Brasil : 1,5% da energia brasileira em 2012

1,3% da energia brasileira em 2013 e 2014

2,7% da eletricidade brasileira em 2012

2,4% da eletricidade brasileira em 2013

2,5 % da eletricidade brasileira em 2014

1,3% da capacidade instalada de geração de eletricidade no Brasil em 2013 e 2014

Custo é um dos grandes empecilhos para o crescimento

U$ 3.000-6.000 /kW

2016 – 383 GW instalados (eram 379 GW em 2015)

+ 66 GW em construção

http://www.euronuclear.org/info/encyclopedia/n/nuclear-power-plant-world-wide.htm (*)

2008 2013 2014 2015 2016(fev)

Reatores em operação

442 437 435 438 442

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Combustível Unidade Poder Calorífico Médio (kcal/unidade)

Petróleo kg 10.800

Carvão kg 3.100-6.000

Lenha kg 3.300

Bagaço de Cana kg 2.250

Gás Natural kg 15.900 (1 m3 →→→→ 10.000 kcal)

Etanol Anidro kg 8.970 (1L →→→→ 7.090 kcal)

Etanol Hidratado kg 8.210 (1L →→→→ 6.650)

Gasolina kg 10.000 (1L →→→→ 7.500)

Diesel kg 12.650 (1L →→→→ 10.750)

Biodiesel kg 10.230 (1L →→→→ 9.000)

Urânio kg 1,57x108

Plutônio kg 1,87x1010

Densidades utilizadas:

ρdiesel = 0,85 kg/L ; ρbiodiesel = 0,88 kg/L ; ρgasolina = 0,75 kg/Lρálcool hidratadp = 0,81 kg/L ; ρálcool anidro = 0,79 kg/L ; ρGNV = 0,63 kg/m3

TESTES NUCLEARES, BOMBAS E ACIDENTES EM USINAS:

Three Mile Island (EUA) – 1979 – fusão parcial do reator

Chernobyl (Ucrânia) – 1986 – explosão de um reator

Goiânia, 13/11/1987 – resíduo sólido de radioterapia

4 pessoas morreram, 1200 contaminadas

Quantidades grandes de radiação em área pequena.

Fukushima (Japão) – 2011

Tsunami após terremoto faz complexo nuclear com seisreatores entrar em pane.

Liberou de 10 a 20% da radiação liberada por Chernobyl.

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http://www.oecd-nea.org/pub/techroadmap/techroadmap-2015.pdf

Após acidente, Alemanha, Bélgica e Suíça anunciaram ofechamento programado das usinas nucleares (em 2022, 2025e 2035, respectivamente).

Hiroshima: 235Urânio;

Nagasaki: 239Plutônio

Bombas H (detonadas em 1952 e 1954 no Oceano Pacífico)Baseada na fusão. Taltas são obtidas por uma bomba de fissão acoplada.

600 vezes mais poderosa que as de Hiroshima e Nagasaki.

Bombas Nucleares: Fissão

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Após 0,001 s – emite grandes quantidades de raios-X e UV

Após 2 s – onda de impacto com 1,5 km de diâmetro juntamente com onda térmica que se propaga, carbonizando a matéria orgânica.

Após 6s – onda atinge o solo, provocando ventos fortíssimos que derrubam estruturas metálicas que resistiram ao calor.

Após 13 s – esfera começa a se contrair, os ventos se invertem, há a rarefação do ar, com o início da formação do cogumelo atômico, destruindo, no raio de alcance, o que sobrar.

Após 30 s – cogumelo completo e ao começa o problema para os sobreviventes, inclusive de regiões distantes da detonação: começa a precipitar partículas radioativas

A rosa de Hiroxima - Vinícius de Moraes

Pensem nas criançasMudas telepáticas

Pensem nas meninasCegas inexatas

Pensem nas mulheresRotas alteradas

Pensem nas feridasComo rosas cálidas

Mas oh não se esqueçamDa rosa da rosa

Da rosa de HiroximaA rosa hereditáriaA rosa radioativa

Estúpida e inválidaA rosa com cirroseA anti-rosa atômica

Sem cor sem perfumeSem rosa sem nada.