ANALISE DE PERIGOS EM UMA INSTALAÇÃO DE PRODUÇÃO DE HEXAFLUORETO DE URÂNIO (*) RESUMO SUMMARY

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1 71 ANALISE DE PERIGS EM UMA INSTALAÇÃ DE PRDUÇÃ DE HEXAFLURET DE URÂNI (*) RESUM MARISTHELA PASSNI DE ARAÚJ MARIN (**) JSÉ MESSIAS DE LIVEIRA NET (***) Neste trabalho é apresentado um método para análise de perigos em uma instalação de produção de UF 6. método proposto identifica os perigos associados à operação e avalia as consequências de eventos indesejáveis. Verificou-se que, embora sendo uma instalação que opera com material radioativo, os perigos maiores podem estar associados a liberações de substâncias químicas tóxicas, e que a implantação de algumas medidas de proteção pode reduzir sensivelmente as consequências de eventos indesejáveis. DESCRITRES: Análise de Perigos, ciclo do combustível nuclear. SUMMARY HAZARD ANALYSIS IN ANURANIUM HEXAFLURIDE PRDUCTIN FACILITY The present work provides a method for preliminary hazard analysis of an uranium hexafluoride production facility. The proposed method identifies the hazards associated with the production and evaluate the consequences of undesired events. It was found that, although the facility handles radioactive material, the main hazards may be associated with the release of toxic chemical substances such as hydrogen fluoride, anhydrous ammonia and nitric acid. It was shown that a contention band can effectively reduce the consequences of atmospheric release of toxic materials. KEY WRDS: Hazard analysis, nuclear fuel cycle. 1. INTRDUÇÃ ciclo do combustível nuclear compreende uma série de processos que engloba desde a localização do minério de urânio, seu beneficiamento, conversão do óxido natural em hexafluoreto, enriquecimento isotópico e fabricação do elemento combustível e reprocessamento do material já utilizado. As atividades desenvolvidas nas instalações do ciclo têm o potencial de contaminar e degradar o meio ambiente, assim como oferece perigo aos trabalhadores e indivíduos do público, pois operam com material nuclear e diferentes substâncias químicas tóxicas. Para a construção, instalação, ampliação e funcionamento dessas instalações são necessários estudos que comprovem a segurança da planta e que demonstrem serem os riscos aceitáveis. Esses estudos envolvem a aplicação de técnicas de análise de perigos que têm como objetivo identificar e quantificar as consequências de um evento acidental. método proposto neste trabalho é baseado em estudos desenvolvidos pelo World Bank (1985) para plantas químicas convencionais. A aplicação deste método a instalações nucleares tem sido objeto de interesse devido aos programas nucleares em desenvolvimento no Brasil. Um primeiro estudo aplicou o método a uma instalação de enriquecimento isotópico de urânio (Lauricella, 1997) e mostrou-se adequado. presente trabalho aplica o método a uma instalação de produção de hexafluoreto de urânio (UF 6 ), que é mais complexa devido aos processos químicos envolvidos. s principais perigos associados ao processo foram identificados e analisados quantitativamente como os perigos advindos da liberação de substâncias tóxicas e radioativas (como NH 3, HF, HN 3 e UF 6 ). Verificouse também que o modelo é adequado para a análise de perigos para este tipo de instalação. 2. MATERIAIS E MÉTDS 2.1 MÉTD procedimento para avaliar as consequências de liberações de substâncias tóxicas em plantas nucleares é desenvolvido em etapas mostradas na Figura 1. A planta é dividida em unidades funcionais e em cada unidade são identificados os sistemas e *Parte da dissertação de mestrado apresentada ao Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares-IPEN. **Engenheira Química, Mestranda (IPEN-USP) ***Professor (IPEN-USP) R. Un. Alfenas, Alfenas, 5:71-76, 1999

2 72 M. P. de A. MARIN e J. M. de. NET componentes de interesse. Cada componente é analisado e assim identificam-se os possíveis modos de falha. Caracteriza-se o inventário de materiais perigosos os quais são selecionados e agrupados, sendo analisados quantitativamente somente aqueles que possuem os maiores inventários em função da toxicidade, inflamabilidade e quantidades. Identificam- se os perigos, os casos de liberação são classificados e os termos fontes são determinados, seguindo-se a avaliação de consequências. Caso sejam conhecidos dados de probabilidade, pode-se estimar a frequência de ocorrência de eventos indesejáveis. Finalmente são propostas medidas mitigadoras de riscos. Planta Unidades, sistemas, componentes M odos de falha dos componentes Frequê Inventário de materiais perigosos Av Agrupamento dos componentes D e Identificação dos perigos Classi Figura 1. Etapas da avaliação de perigos Faz parte da avaliação de perigos uma análise histórica de acidentes em instalações similares. Esta pesquisa tem por objetivo identificar os perigos em atividades industriais, identificar as causas básicas dos acidentes, levantar tendências históricas e probabilidades de ocorrência de acidentes, aferir os resultados de simulação de modelos de cálculos e auxiliar no desenvolvimento de árvores de eventos. 2.2 A INSTALAÇÃ método foi aplicado a uma instalação de produção de UF 6 ( Kerr Mc Gee Sequoyah Hexafluoride Plant )(NRC, 1975). A instalação purifica o concentrado de urânio ( yellowcake ) pelo processo extração por solvente para posterior conversão a UF 6, que consiste nas seguintes operações: (a) Pré processo: manuseio do concentrado, pesagem, amostragem e armazenamento; (b) Dissolução em ácido nítrico; (NH 4 U HN 3 2NH 4 N 3 + 2U 2 + 3H 2 U HN 3 U N H 2 (c) Extração por solvente em contra corrente utilizando fosfato de tributil em hexano; (d) Reextração do urânio como solução de nitrato de uranila; Extração U 2 (aq) + 2TBP (org) U 2.2 TBP (org) Rextração (e) Calcinação (denitração) a U 3 ; U 2.6 H 2 U 3 (s) + 2 N 2 + ½ H 2 (f) Redução a U 2 em leito fluidizado utilizando H 2 e N 2 obtidos com a decomposição de amônia anidra; U 3 (s) + H 2 (g) U 2 (s) + H 2 (g) (g) Hidrofluoração a UF 4 em reator de leito contra corrente utilizando HF anidro e; U 2 (s) + 4 HF UF 4 (s) + 2 H 2 ( h) Fluoração a UF 6 em reatores de chama pela reação com flúor elementar produzido na própria instalação. UF 4 (s) + F 2 (g) UF 6 (g) As áreas analisadas da instalação foram aquelas onde o UF 6 está presente e as áreas de armazenamento de substâncias químicas perigosas (HF, NH 3 e HN 3 ). s impactos de um possível acidente foram analisados em função da distância ao ponto de liberação. Considerou-se que os limites da propriedade está situado a 1175 m do ponto de liberação. Esta distância foi tomada como referência no cálculo das concentrações e incorporações para indivíduos do público. R. Un. Alfenas, Alfenas, 5:71-76, 1999

3 ANALISE DE PERIGS EM UMA INSTALAÇÃ DE PRDUÇÃ DE HEXAFLURET FRMULAÇÃ TEÓRICA A concentração de HF no ar é dada por: A avaliação das consequências de liberações de UF 6, NH 3, HF e HN 3 requer o conhecimento das M HF X suas propriedades físico-químicas e da sua toxicidade C HF =. (2); onde: M t Q HF : massa de HF e adoção de um modelo de dispersão atmosférica. liberada (kg) Propriedades do UF 6 Embora o UF 6 seja um composto estável sua manipulação é complexa. É altamente reativo com a água, éter e álcool, formando produtos estáveis. A reação do UF 6 com a água é altamente exotérmica, produzindo U 2 F 2 (fluoreto de uranila) e HF (ácido fluorídrico). UF 6(1) +2 H 2 (g) 2 F 2(s) +4 HF (g) H = -156,8 kj/mol UF 6 é um produto tóxico e radioativo. Dos seus produtos de hidrólise, o HF apresenta apenas a toxicidade química, enquanto o U 2 F 2 possui toxicidade química e radiológica. A toxicidade química do urânio supera a radiológica para qualquer nível de enriquecimento (USNRC, 1991). É um produto que pode causar danos a saúde e contaminação do meio ambiente. efeito tóxico mais importante do urânio é o dano aos rins, podendo ocasionar uma queda de capacidade funcional afetando também os vasos sanguíneos em todo o corpo. Já o HF é altamente corrosivo e exposições moderadas do ar podem causar queimaduras na pele, irritações ao aparelho respiratório e da membrana conjutiva. Exposições agudas podem causar a destruição dos bronquios e inchaço pulmonar, o que pode ser fatal. Quando aquecido libera fumos altamente tóxicos. Modelo de dispersão para o UF 6 modelo de dispersão atmosférica utilizado é o gaussiano (IAEA,1980). Considera-se que a liberação ocorra ao nível do solo, que o indivíduo permaneça na linha de centro da pluma durante a dispersão e que os particulados sejam altamente respiráveis e transportáveis. A incorporação de urânio via inalação é calculada por : Iu = X. Q Mu. BR. f d (1); onde: X : fator de dis- Q persão atmosférica (s/m 3 ), Mu: massa de urânioliberada (kg), BR: taxa de respiração de um indivíduo (2,66 x 10-4 m 3 /s), f d : fator de deposição seca, leva em consideração o mecanismo de deposição seca de particulados devido a ação gravitacional durante o processo de dispersão da pluma Propriedades do NH 3 Em temperatura ambiente e pressão atmosférica a amônia anidra é um gás incolor, de cheiro acre, penetrante e de baixa densidade. Pode ser estocado e transportado como um líquido a alta pressão e temperatura ambiente (WH, 1990). Quando amônia líquida é derramada, uma fração evapora instantaneamente, extraindo calor do ambiente. A nuvem formada é mais densa que ar. s fatores que influem na densidade da nuvem são as reações químicas, a umidade atmosférica e a quantidade de líquido pulverizado ( Haddock & Willians em Lees, 1996 ). gás amônia é extremamente corrosivo e irritante à pele, aos olhos, ao nariz e ao trato respiratório. Exposição à altas concentrações (acima de 2500 ppm) ameaçam a vida, tendo como consequências danos ao trato respiratório, resultando em bronquites, pneumonias e edema pulmonar (Sax, 1985). Modelo de dispersão para o NH 3 modelo de dispersão utilizado é o modelo de dispersão de gás denso desenvolvido por Cox e Carpenter (1980) incorporado ao programa computacional WHAZAN (DNV, 1993). Neste trabalho o caso estudado foi de uma liberação instantânea. A nuvem que se forma devido a vaporização de uma parte é representada por uma nuvem cilíndrica, top hat, que assume uma forma de panqueca e propaga-se radialmente relativo ao seu centro enquanto move-se com o vento. A concentração de NH 3 ( c ) é calculada com o programa, através da expressão: 2m c = (3); onde: m = massa liberada ( 2 ) 32 / π. σσσ.. x y z (kg), σ xσ yσ z = flutuação transversal, horizontal e vertical da direção do vento (m). Foi utilizado também, programa computacional RMP*Comp desenvolvido pela EPA (1998), com o qual se obtém como resultado o ponto final tóxico. Entende-se por ponto final tóxico, a concentração de uma substância no ar em que quase todos os indivíduos podem ser expostos durante um intervalo de tempo determinado sem que ocorram efeitos adversos a saúde. R. Un. Alfenas, Alfenas, 5:71-76, 1999

4 74 M. P. de A. MARIN e J. M. de. NET Propriedades do HF ácido fluorídrico anidro, também chamado de fluoreto de hidrogênio é um líquido incolor, fumegante e corrosivo. produto anidro entra em ebulição a 19,5ºC. gás é menos denso que o ar. Na fase gasosa, acima de 200ºC encontra-se o ácido como um monômero e em temperaturas inferiores formamse oligômeros de formula genérica (HF) n. Para se obter uma completa descrição do comportamento de uma nuvem de HF é necessário levar em conta este comportamento associativo, a umidade atmosférica e a fração de líquido pulverizado (Lees, 1996). Modelo de dispersão para o HF Na presente análise o modelo de dispersão atmosférica utilizado foi o modelo de dispersão de nuvem neutra incorporado ao programa computacional WHAZAN, com o programa RMP*Comp foi calculado o ponto final tóxico. Com o programa WHAZAN obtém-se a concentração de HF (c) no ar pela expressão: 2 1 dm 2 y h c = (4); onde: σ U w σ y σ z dt 2σ y 2σ z U w : velocidade do vento (m/s), σ yσ z :flutuação horizontal e vertical do vento (m), dm dt taxa de vaporização (kg/s), calculado pelo programa, y: distância ortogonal à linha imaginária do eixo x (m), h: altura efetiva da liberação (m) Propriedades do HN 3 HN 3 é completamente miscível com a água. Geralmente conhecido e utilizado como soluções aquosas, algumas vezes com a adição de óxidos de nitrogênio dissolvidos em altas concentrações. É um ácido forte, que se comporta como agente oxidante devido a presença de óxido de nitrogênio. s vapores de ácido nítrico são altamente tóxicos e capazes de produzirem ferimentos graves ou morte. Sintomas e lesões pulmonares graves podem ter início após inalação de cerca de 25 ppm por 8 horas, inalação de 100 a 150 ppm por 1 hora pode causar edema pulmonar e inalação de 200 a 700 ppm pode ser fatal num período de 5 a 8 horas (Sax, 1985). Modelo de dispersão para o HN 3 Para a análise de dispersão de HN 3 foi utilizado somente o modelo contido no programa computacional RMP*Comp, obtendo-se assim o ponto final tóxico especificado. R. Un. Alfenas, Alfenas, 5:71-76, RESULTADS E DISCUSSÃ Em função da aplicação do método foram identificados 4 casos limitantes de ocorrência indesejável: liberação de UF 6, liberação de NH 3, liberação de HF e liberação de HN Liberação de UF 6 evento limitante é caracterizado por uma ruptura de um cilindro modelo 48 Y (14 t de UF 6 ). Trata-se de um evento real ocorrido na instalação em estudo em 04/01/86. Considera-se que cerca de kg de UF 6 líquido seja liberado para a atmosfera, durante 15 minutos, formando 4558,93 kg de urânio e de 1500 kg de HF. Para cálculo da concentração de HF e incorporação de urânio em função da distância ao ponto de liberação, considerou-se as classes de estabilidade atmosférica Pasquill D (u= 3m/s), Pasquill F (u=1 m/s) e Pasquill C (u=11 m/s). s resultados obtidos podem ser comparados na Tabela 1, com relação ao critério de classificação de eventos indesejáveis para casos de liberaçaõ de UF 6 segundo USNRC (1991). bserva-se que para a classe de estabilidade D, as concentrações de HF são inferiores aos níveis estabelecidos a partir de 2000 m e a incorporação de urânio a partir de 1300 m do ponto de liberação, classificando o caso como acidente. Na condição F, também acidente, porém com consequências maiores, pois os valores das concentrações de HF tornam-se menores do que o nível de referência a partir de m e a incorporação de urânio inferior a 10 mg a partir de 1600 m. Para a classe C, condição provável do dia do acidente, a concentração de HF é inferior a 35 mg/m 3 a 300 m do ponto de liberação e a incorporação de Urânio menor que 10 mg a partir de 700 m, caracterizando evento anormal. Tabela 1. Resultados da liberação de UF 6 Distância (m) a partir da qual C HF < 35 mg/m 3 Distância (m) a partir da qual I U < 10 mg Classe D Classe F Classe C Classe D Classe F Classe C Liberação de NH 3 caso limitante é definido como uma liberação instantânea devido a um rompimento catastrófico do tanque que encontra-se a pressão de 1722 kpa e 25ºC, resultando numa liberação de conteúdo total, igual a 200t Resultados obtidos com o WHAZAN Foram calculados em função da distância ao ponto de liberação a concentração de NH 3 tendo como objetivo obter a distância onde o ponto final tóxico é

5 ANALISE DE PERIGS EM UMA INSTALAÇÃ DE PRDUÇÃ DE HEXAFLURET... atingido ( equivalente a 200 ppm de NH 3 ; referência ERPG-2, Emergency Response Planning Guideline (EPA,1998)) e a probabilidade de morte. Considera-se duas condições de umidade relativa do ar, 50% e 80%. Para cada condição de umidade relativa foram propostas duas classes de estabilidade atmosférica,pasquill D (u = 3m/s) e Pasquill F (u = 1m/s). s resultados podem ser comparados na Tabela 2. bserva-se que ocorre pouca alteração dos resultados com a variação da umidade relativa. Sendo as maiores distâncias alcançadas para a umidade relativa de 80%. Tabela 2. Resumo da avaliação da liberação de NH 3 obtido com o WHAZAN Humidade Ponto final Probabilidade Relativa tóxico (m) de morte Classe D Classe F Classe D Classe F 50% até 150m até 250m 80% até 150m até 250m Resultados obtidos com o RMP* Comp A análise foi realizada com o programa RMP*Comp utilizando os cenários para um caso crítico de liberação worst case, que assume classe F de estabilidade atmosférica, velocidade de vento (u) igual a 1,5m/s, umidade relativa do ar de 50% e temperatura do ar de 25ºC. Foram calculadas as taxas de vaporização para cenários com e sem bacia de contenção e a distância onde o ponto final tóxico é atingido, considerando um tempo de 600 s de liberação. Foi também analisado o caso de uma liberação de amônia liquefeita por refrigeração. s resultados obtidos são apresentados na Tabela 3. Nota-se portanto que as consequências podem ser mitigadas quando adota-se alguma medida de proteção como bacia de contenção. Tabela 3. Resumo da avaliação da liberação de NH3 obtido com o RMP*Comp. Pressurizada Refrigerada Medida mitigadora não sim Bacia com raio de espaço fechado 0 m 15 m 20 m 30 m Taxa de vaporização (kgs -1 ) 333, ,3 5,82 0,98 23,3 Ponto final tóxico (m) Liberação de HF Foi proposto como caso limitante uma liberação instantânea devido a um rompimento catastrófico de um dos tanques de estocagem que se encontra a 202,6 kpa e 25ºC, resultando numa liberação de conteúdo total, 210 t de HF anidro líquido, do qual uma fração vaporizará Resultados obtidos com o WHAZAN Foram calculados, a taxa de vaporização, a concentração em função da distância ao ponto de liberação e a probabilidade de morte, para os casos: Caso A: não existe bacia de contenção ao redor do tanque; Caso B1: considera-se a existência de uma bacia de contenção de raio de 20 m; Caso B2: considera-se a existência de uma bacia de contenção de 30m. No cálculo da taxa de vaporização, considerase umidade relativa de 80%, e diferentes valores de velocidades do vento. s valores críticos são iguais a 1 e 4 m/s. Na avaliação da dispersão atmosférica para cada valor de velocidade de vento foi associado uma categoria de estabilidade atmosférica, Pasquill F (u = 1 m/s) e Pasquill C (u = 4 m/s). A Tabela 4 apresenta os resultados obtidos. ponto final tóxico foi definido como a concentração de 20 ppm corespondente ao ERPG-2. bservando as taxas de vaporização verifica-se que as maiores são produzidas quando considera-se a velocidade de vento de 4 m/s, porém as condições mais desfavoráveis para a dispersão correspondem a estabilidade atmosférica classe F, pois esta dificulta a dispersão da nuvem e representa situações em que o ponto final tóxico é atingido a distâncias muito grandes do ponto de liberação, superior a 10 km. Tabela 4. Resultados da avaliação da liberação de HF, obtidos com o WHAZAN Caso A Caso B1 Caso B2 Velocidade do vento (ms -1 ) Taxa de vaporização máxima (kgs -1 5,40 74,90 3,4 10 7,3 21,52 Estabilidade atmosférica F C F C F C Ponto final tóxico (m) > 10 4 > 10 4 > > Probabilidade de morte (%) R. Un. Alfenas, Alfenas, 5:71-76, 1999

6 76 M. P. de A. MARIN e J. M. de. NET Resultados obtidos com o RMP*Comp A análise foi realizada utilizando os cenários para um caso crítico de liberação, worst case. Calculou-se a taxa de vaporização para cenários com e sem bacia de contenção e a distância onde o ponto final tóxico é atingido (equivalente a 20 ppm; referência ERPG-2). s resultados são apresentados na Tabela 5. Tabela 5. Resultados da avaliação da liberação de HF obtido com o RMP*Comp Raio da Bacia (m) Taxa de vaporização (kgs -1 ) 350 5, Ponto final tóxico (m) > Liberação de HN 3 caso limitante estudado é definido como uma liberação instantânea devido a uma ruptura repentina do tanque que se encontra a pressão de 202,6 kpa e 25ºC ocasionando uma liberação de 350 t. s cálculos foram efetuados utilizando somente o programa RMP*Comp. A análise de consequências foi realizada considerando-se uma solução de ácido nítrico a 80%. Utilizou-se os cenários para um caso crítico de liberação, worst case. Foram calculadas as taxas de vaporização e a distância onde o ponto final tóxico é atingido (equivalente a 10 ppm, referência LC-IDLH). s resultados obtidos são apresentados na Tabela 6. Tabela 6. Resultado da avaliação da liberação de HN 3 Raio da bacia (m) Taxa de vaporização (kgs -1 ) 5,12 0,15 0,26 0,61 Ponto final tóxico (m) CNCLUSÕES Verifica-se portanto que embora a instalação em estudo processe material nuclear (UF 6 ) os maiores perigos potenciais estão associados a materiais tóxicos não radiotivos (NH 3, HF e HN 3 ). Nota-se que a liberação de HF é que causaria as piores consequências, pois os impactos causados por sua liberação poderiam atingir distâncias superiores a 40 km. A implantação de medidas mitigadoras (bacia de contenção), contribuem sensivelmente para a diminuição das consequências externas. Condições R. Un. Alfenas, Alfenas, 5:71-76, 1999 atmosféricas favoráveis (classe D) também contribuem para reduzir as consequências de uma liberação acidental. Em alguns casos as consequências podem até ficar contidas dentro dos limites da propriedade da instalação (liberação de HN 3 e UF 6 ). 5. REFERÊNCIAS BIBLIGRÁFICAS CX, R. A. e CARPENTER, R. J.; Further Development of a Dense Cloud Dispersion Model for Hazard Analysis; In: Heavy Gas and Risk Assesment, S. Hartwig (ed.). Dordrecht: D. Reidel, DNV; WHAZAN II version 2.1, ProcessHazard Screening Tool. May EPA; Computer programs to perform the offsite consequense analysis under the EPA s Risk Management Planning rule, INTERNATINAL ATMIC ENERGY AGENCY (IAEA); Atmospheric Dispersion in Nuclear Power Plant Siting; Safety Guides nº 50 - SG - S3. Vienna, LAURICELLA, C. M.; Análise de Perigos em Instalações de Enriquecimento Isotópico de Urânio. Revista da Universidade de Alfenas, v.3, n.2, p ,1997. LEES, F. P.; Loss Prevention in the Process Industries Hazard Identification, Assessment and Control; vol.1. Butterworths: Great Britain, NUCLEAR REGULATRY CMMISSIN (NRC); Sequoyah Uranium Hexafluoride Plant (DCKET nº ): Final Environmental Statement; NUREG Feb SAX, N. Irving; Dangerous Proporties of Industrial Materials. New York: Van Nostrand Reinhold Company, US NUCLEAR REGULATRY CMMISSIN (US NRC); Chemical Toxicity of Uranium Hexafluoride Compared to Acute Effects of Radiation, NUREG 1391, WRLD BANK; Manual of Industrial Hazards Assessment Technique. London, WRLD HEALTH RGANIZATIN (WH); Ammonia, Health and Safety Guide. Geneva, 1990.