Vantagens da Energia Nuclear sobre Combustíveis Fósseis

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1 Vantagens da Energia Nuclear sobre Combustíveis Fósseis Reservas mundiais de U devem bastar para, pelo menos, mais 100 anos de geração de energia elétrica no mundo. Independência estratégica. Emissão zero de gases estufa e gases que causam chuva ácida. Técnicas atuais de engenharia permitem o uso competitivo das usinas nucleares como geradoras de eletricidade. QFL3204/2006 Química Ambiental I 9 Desvantagens da Energia Nuclear sobre Combustíveis Fósseis Imagem negativa em amplos segmentos da sociedade. Rejeitos contêm radionuclídeos. Poluição térmica: rejeitam 66% do calor disponível (instalações com combustíveis fósseis: 60%) QFL3204/2006 Química Ambiental I 10

2 Resíduos de baixa e média atividades IPEN (SP): ~1200 tambores, com volume de 250 m 3 e atividade estimada de 220 TBq. Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear (MG): ~150 tambores com volume de 30 m 3 e atividade estimada de 100 TBq. Instituto de Engenharia Nuclear (RJ): ~35 tambores com volume de 7 m 3. Central Nuclear de Angra, onde estão armazenados os rejeitos de atividade baixa e média gerados na própria usina. São cerca de tambores de 200L, totalizando toneladas aproximadamente, com volume de 1000 m 3 e atividade estimada de 4,5 TBq. Complexo Industrial de Poços de Caldas, onde estão armazenados os rejeitos gerados na purificação de concentrados de urânio e tório. São toneladas de um concentrado chamado Torta II, com volume de 7250 m 3 e atividade estimada de 120 TBq Depósitos da antiga Usina Santo Amaro em São Paulo e Botuxim (SP), onde estão armazenados os rejeitos gerados na purificação de terras raras extraídas da monazita. São 540 toneladas de Torta II, com volume de 325 m 3 e atividade estimada de 5 TBq em São Paulo e 3500 toneladas com atividade estimada de 30TBq em Botuxim. QFL3204/2006 Química Ambiental I 39

3 Combustível Nuclear 235 U: 0,740% átomos U na natureza (restante: 238 U); enriquecido a 2 4% át U para reatores (enriquecimento baixo = menos que 20% de U como 235 U) 1 0 n+ Nêutron lento ou térmico U Te+ ou Ba Zr Kr n n Há muitas outras formas de o 235 U se partir; já se observaram Nêutron cerca de 525 radioisótopos com rápido A entre 72 e 167 QFL3204/2006 Química Ambiental I 11 Massa crítica, subcrítica e supercrítica de combustível Fissão de um átomo de 235 U gera, em média, 2,6 nêutrons QFL3204/2006 Química Ambiental I 12

4 Reação de fissão Controlada por moderadores Nêutrons rápidos (alguns MeV) chocam-se com núcleos de átomos moderadores, tranferindo-lhes energia cinética e perdendo velocidade (convertendo-se em nêutrons lentos ou térmicos) Moderadores devem apresentar: 1. Baixa massa atômica (C, Be, H, D) 2. Baixa absorção de nêutrons Interrompida pelos venenos de nêutrons Substâncias com alta absorção de nêutrons (ex.: Cd, B), independentemente da massa atômica QFL3204/2006 Química Ambiental I 13 Outros materiais físseis Plutônio-239 Convertido a PuO 2 e misturado a UO 2 para formar o produto conhecido como MOX (mixed oxide). MOX contém 3-5% Pu Forma de dar um destino ao Pu grau armamento em diversos países. Decaimento: Pu + α U 2 Urânio-233 Obtido através do bombardeamento de Th-232 com nêutrons: n+ 90Th 90Th β 233 β 233 Pa U 91 (Vantagem: 232 Th é 100% abundante) Decaimento: U + α 92 90Th 2 92 QFL3204/2006 Química Ambiental I 14

5 Mineração de Urânio Brasil: ¼ do território mapeado para U, e é o 6 o produtor mundial Reservas estimadas de 309 mil toneladas de U 3 O 8, suficientes para abastecer Angras I, II e III por 300 anos Capacidade de produção (INB Caetité): 400 ton/ano Mineração a céu aberto minimiza problemas com Rn QFL3204/2006 Química Ambiental I 15 H 2 SO 4 UO 3 + 2H + UO H 2 O UO SO 2-4 [UO 2 (SO 4 ) 3 ] 4- Obtenção do yellow cake, U 3 O 8 2NH 3 + 2[UO 2 (SO 4 ) 3 ] 4-4SO (NH 4 ) 2 U 2 O 7 (DUA) (secagem: U 3 O 8 ) + tratamento com NH 3 DUA = diuranato de amônio Conversão do U 3 O 8 em UF 6 (com HF: UF 4 UF 4 + F 2 UF 6 ) Enriquecimento isotópico (ultracentrifugação) Reconversão do UF 6 em UO 2 QFL3204/2006 Química Ambiental I 16

6 Reconversão 600ºC TCAU: Tricarbonato de amônio e uranilo QFL3204/2006 Química Ambiental I 17 Fabricação das pastilhas de UO ºC QFL3204/2006 Química Ambiental I 18

7 Combustível nuclear Pastilhas UO 2 (h = 1cm; φ = 1cm) Duas pastilhas (pellets) suprem 1 mês de energia de uma residência com 4 pessoas QFL3204/2006 Química Ambiental I 19 Combustível nuclear Elemento combustível O Elemento Combustível é composto pelas pastilhas de dióxido de urânio montadas em tubos de uma liga metálica especial - o zircaloy - formando um conjunto de varetas, cuja estrutura é mantida rígida, por reticulados chamados grades espaçadoras. Tubos (ou barras, ou varetas) de combustível Zircaloy (Zn/Sn): Zr não absorve nêutrons térmicos Película de ZrO 2 protege contra reação com água pressurizada Os vários elementos combustíveis, inseridos no núcleo do reator, produzem calor que será transformado em energia. Cada elemento combustível supre de energia elétrica residências de porte médio, durante um mês. QFL3204/2006 Química Ambiental I 20

8 Elemento combustível Angra 1 Angra 2 quantidade varetas pastilhas 10,5 milhões 17,5 milhões comprimento 4,00m 5,00m massa de urânio 411 kg 543 kg massa total 600 kg 840 kg QFL3204/2006 Química Ambiental I 21 Combustível nuclear Barras de combustível devem ser trocadas periodicamente (1/3 ou menos a cada meses) Depleção de 235 U Acúmulo de absorvedores de nêutrons Distorção das pastilhas (1 átomo U 2 átomos dos produtos de fissão) Stress mecânico nas paredes do tubo QFL3204/2006 Química Ambiental I 22

9 Mudanças energéticas em reações nucleares 2 E = mc Reações químicas: m é desprezível Reações nucleares: significativas Origem dessa diferença: o defeito de massa É a diferença entre a massa do núcleo e a da soma dos seus prótons e nêutrons Quando o núcleo se forma, energia é liberada durante a sua estabilização Portanto: tanto a quebra (fissão) quanto a união (fusão) de núcleos são processos exotérmicos, devido à formação de novos núcleos QFL3204/2006 Química Ambiental I 23 Exemplo: calcular a energia liberada por mol de 235 U durante o seguinte processo nuclear: n+ 92U 56Ba+ 36Kr n Isótopo Massa atômica (amu) No. atômico Massa nuclear (amu) U , ,9935 Ba , ,8857 Kr-91 90, ,90369 nêutron 1,0087 elétron 5,486x10-4 Variação de massa: Inicial 236,0021 Final 235,8154 m -0,1867 g -1,867x10-4 kg Energia associada à reação -1,68x10 13 J/mol -1,68x10 10 kj/mol QFL3204/2006 Química Ambiental I 24

10 Efluentes/rejeitos Barras de combustível gastas (geradas em 490 usinas de 33 países) 1) Reprocessar 2) Enterrar 3) Transmutar (uso de um acelerador como fonte de nêutrons) n I(1,57 10 anos) 1 + n n Xe(estável) 1 I(12,36h) β Xe(estável) 130 Xe(estável) QFL3204/2006 Química Ambiental I 29 Classificação dos rejeitos nucleares 239 Pu (24ka.) 137 Cs (30 a.) 131 I (8 d.) DURAÇÃO curta longa Resíduos da mineração de U Material que entrou em contato com radiação Combustível usado do reator Rejeitos de atividade: 1) baixa: não necessitam blindagem para serem manipulados; 2) média: requerem o uso de blindagens para proteção dos operadores; 3) alta: requerem, além da blindagem, o constante resfriamento para remover o calor que geram continuamente. ATIVIDADE baixa alta QFL3204/2006 Química Ambiental I 30

11 Gestão de resíduos radioativos Estado físico Tipo de radiação Atividade Meia-vida Disposição final no ambiente, controlada, não recuperável e definitiva: - Dispersão - Confinamento O confinamento implica no isolamento dos rejeitos dentro dos repositórios, por longos períodos de tempo - da ordem de centenas a milhares de anos, dependendo da meia-vida. Os repositórios são construções, em geral subterrâneas, projetadas e realizadas de modo a minimizar o contato antecipado do rejeito com a biosfera. QFL3204/2006 Química Ambiental I 31 Tratamento de rejeitos sólidos São gerados em grandes quantidades tanto nas instalações nucleares como nas instalações radiativas (luvas, papéis, algodão, vidros, peças de roupa, máscaras, filtros etc) Demandam muito espaço de estocagem Os métodos de redução de volume mais empregados são: a compactação e a incineração Compactação: rejeitos recolhidos em sacos de papel ou plástico, prensados dentro de um tambor metálico de 200 L, que será a embalagem definitiva; o fator de redução de volume é da ordem de 4. Incineração: rejeitos queimados em fornos especiais até se converterem em cinzas; o fator de redução de volume pode chegar a 80. QFL3204/2006 Química Ambiental I 32

12 Tratamento de rejeitos sólidos Em ambos os casos, os radionuclídeos não são removidos do rejeito. Na incineração, a maior parte dos radionuclídeos se concentra nas cinzas e o restante, que é transportado com a fumaça, fica retido nos filtros. O rejeito compactado ou as cinzas são então armazenados e depois transportados para o repositório final. Os rejeitos sólidos que não podem ser compactados e que não são incineráveis são simplesmente acondicionados em tambores ou caixas metálicas, armazenados e depois transportados para o repositório. Quando estes rejeitos são de média atividade, são antes "encapsulados" dentro dos tambores ou caixas, vertendo-se sobre eles uma pasta de cimento, betume fundido ou outro agente solidificante para se obter um bloco monolítico. QFL3204/2006 Química Ambiental I 33 Tratamento de rejeitos gasosos Gases, vapores (H 2 O, I 2 ) e material particulado (sólido ou líquido) radioativos Métodos para retê-los: Filtração: meio filtrante de um reator deve ter eficiência ~100% em condições adversas de T e umidade. Geralmente, C ativado (aerossóis) e fibra de vidro (gases) Lavagem QFL3204/2006 Química Ambiental I 34

13 Tratamento de rejeitos líquidos Neutralização, para condicionar quimicamente o rejeito Precipitação, a Evaporação e a Troca Iônica, para reduzir o volume pela eliminação do solvente não radioativo Imobilização ou solidificação, para transformar o rejeito líquido em um bloco sólido (cimento, vidro, asfalto, cerâmicas ou polímeros) QFL3204/2006 Química Ambiental I 35 Confinamento Resíduos de meia-vida intermediária ou longa; atividade baixa ou média: repositórios construídos a profundidades de ~30 m Local: baixa densidade populacional, pouca perspectiva de exploração mineral ou agropecuária, isento de atividade sísmica, longe de rios, lagos e aqüíferos Barreiras de engenharia: camadas de concreto, argila e outros materiais impermeáveis ao redor dos tambores. Projetam-se para esses repositórios rasos uma duração de alguns séculos QFL3204/2006 Química Ambiental I 36

14 Confinamento Resíduos de meia-vida longa; atividade alta: repositórios geológicos a algumas centenas de metro de profundidade Minas profundas Mar (entre 1949 e 1972, hoje é banido) Espaço (!) Projetam-se para esses repositórios profundos uma duração de centenas de milhares de anos QFL3204/2006 Química Ambiental I 37 Panorama dos rejeitos radioativos no Brasil Rejeitos radioativos de alta atividade: são armazenados no próprio reator não existe política nacional para seu reprocessamento (!) Rejeitos radioativos de baixa e média atividade: não existe determinação governamental para o local da construção dos repositórios (!!) São armazenados em depósitos intermediários... QFL3204/2006 Química Ambiental I 38