Projeto FEUP 2014/ Engenharia Mecânica : Armando J. Sousa / Teresa Duarte. Equipa 1M08_2: Supervisor: Teresa Duarte

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1 2014/2015 Faculdade de Engenharia do Porto Projecto Feup Projeto FEUP 2014/ Engenharia Mecânica : Armando J. Sousa / Teresa Duarte Equipa 1M08_2: Supervisor: Teresa Duarte Monitor: Sandra Reis Autores: Pedro Fernandes up @fe.up.pt Rui Martins up @fe.up.pt João Henriques up @fe.up.pt Joana Perez up @fe.up.pt

2 Resumo No âmbito da unidade curricular Projecto FEUP o presente trabalho aborda a Energia Nuclear com o sub-tema de Papel da Engenharia Mecânica nas Energias não Renováveis A energia nuclear é um recurso energético que se inclui nas energias não renováveis. Deste modo, existem dois processos para obter energia a fusão ou a fissão nuclear, sendo o segundo o que se utiliza para obter energia nas centrais nucleares. A obtenção de energia eléctrica a partir de energia nuclear ocorre nos reatores nucleares, nestes ocorre as reações nucleares que liberta energia que por sua vez aquece água até que esta se evapore e faça mover uma turbina que está anexada a um gerador. Este processo de obtenção de energia tem um alto rendimento, por outro lado apesar de o risco de ocorrerem acidentes ser pequeno se algum ocorrer tem impactos desastrosos no ambiente. A produção de energia nuclear a nível da UE está em evolução sendo o maior produtor a França, a nível mundial os maiores produtores são os Estados Unidos. A produção de energia nuclear deve aumentar exponencialmente no futuro devido a ter um grande rendimento e a não poluir atmosfera como as outras energias não renováveis, isto é ainda mais confirmado, se houver descobertas que permitam rentavelmente utilizar o método de fusão nuclear. O Papel da Engenharia Mecânica nas Energias não Renováveis Energia Nuclear 2/22

3 Palavras-Chave Fissão Fusão Energias não renováveis Reatores Radioatividade O Papel da Engenharia Mecânica nas Energias não Renováveis Energia Nuclear 3/22

4 Índice 1. Introdução 5 2. O que é a Energia? Energias não renováveis Energia Nuclear 6 3. Fissão e Fusão nuclear 7 4. Como se obtém a energia? Processo Características do Reator Energia Envolvida Vantagens e Desvantagens Vantagens Desvantagens Dados Estatísticos da Produção de Energia Nuclear Futuro da Energia Nuclear A Energia Nuclear em Portugal Conclusões Referências bibliográficas 20 Índice de Imagens Figura 1: Fissão Nuclear. [14] 7 Figura 2: Fusão Nuclear. [15] 8 Figura 3: Funcionamento de uma central nuclear. [16] 10 Figura 4: Diagrama das energias dissipadas numa central nuclear. 11 Figura 5: Dados estatísticos da produção de Energia Nuclear pelos países da EU Figura 6 : Distribuição do urânio por Portugal Continental [17] 17 Figura 7 : Custos da energia por kilowatt-hora [17] 18 O Papel da Engenharia Mecânica nas Energias não Renováveis Energia Nuclear 4/22

5 1. Introdução O tema deste relatório é a energia nuclear, uma das energias não renováveis. Irá ser abordado o modo como esta energia é obtida, as suas vantagens e desvantagens, os dados estatísticos da sua produção e qual será o seu futuro. Será abordada tanto a fusão como a fissão nuclear focando maioritariamente na segunda. O Papel da Engenharia Mecânica nas Energias não Renováveis Energia Nuclear 5/22

6 2. O que é a Energia? A energia é um recurso essencial à vida pois é ela que nos permite efetuar todos os movimentos e está presente em ações como a transferência de calor ou transmissão de ondas. Existem vários tipos de energia conforme a sua fonte, como a energia térmica, mecânica, elétrica, radiante, química e nuclear. As energias podem ser renováveis ou não renováveis. 2.1 Energias não renováveis Estas energias são definidas não renováveis, pois a taxa de consumo é superior à taxa a que são repostas naturalmente. Entre estas fontes encontram-se os combustíveis fosseis e aquela que é abordada neste relatório a energia nuclear. 2.2 Energia Nuclear A energia nuclear é um tipo de energia proveniente de uma reação nuclear entre átomos. Estas reações libertam grandes quantidades de energia tornando-se desta forma possível de ser explorada como uma fonte energética. O Papel da Engenharia Mecânica nas Energias não Renováveis Energia Nuclear 6/22

7 3. Fissão e Fusão nuclear Existem dois processos de obtenção de energia nuclear. A fissão e a fusão nuclear. Estes dois processos são bastante distintos. Em primeiro lugar o processo de fissão nuclear que consiste no bombardeamento de materiais metálicos radioativos, como o urânio, por neutrões dividindo os núcleos culminando na libertação de energia. Para obter energia por este processo é necessário, para além de, um reator que consiga aguentar uma possível reação em cadeia uma maneira de dispor da grande quantidade de resíduos radioativos que este produz. Figura 1: Fissão Nuclear. [14] Por outro lado, o processo de fusão nuclear consiste na fusão de dois núcleos de átomos muito pequenos, por exemplo, o deutério e o trítio originando um núcleo de hélio e libertando energia no processo. O Papel da Engenharia Mecânica nas Energias não Renováveis Energia Nuclear 7/22

8 Figura 2: Fusão Nuclear. [15] Não gera quase nenhum resíduo radioativo, as reações em cadeia são inexistentes e gera 3 a 4 vezes mais energia que a fissão nuclear. Contudo este processo não é de momento viável devido à elevada quantidade de energia que é necessário para unir os dois núcleos, por essa razão ainda não foram desenvolvidos reatores eficazes para este processo. Ou seja, apesar dos reatores conseguirem alcançar a fusão nuclear é despendida mais energia para iniciar a reação do que aquela que é obtida no fim da mesma. Um exemplo destes reatores experimentais que apesar de não conseguirem fazer esta reação com resultados viáveis, conseguem fazer a fusão dos dois núcleos. Um destes reatores encontra-se na europa associado ao projeto Iter. [6],[17] O Papel da Engenharia Mecânica nas Energias não Renováveis Energia Nuclear 8/22

9 4. Como se obtém a energia? 4.1. Processo O processo de obtenção de energia nuclear inicia-se com pequenas pastilhas de urânio (1cm de diâmetro x 1 cm de altura), estas são colocadas em milhares de tubos (varetas de combustível, com 4m de comprimento) que posteriormente são colocadas no interior do reator nuclear, onde ocorrem as reações de cisão nuclear. A água é um componente importante neste procedimento pois constitui uma fonte de absorção de energia e permite a continuação das reações em cadeia. Essa água que recebe a energia atinge temperaturas na ordem dos 3000ºC, mas apesar das elevadas temperaturas esta mantém se no estado liquido devido á pressão constante a que é mantida (1060 bars). Esta água é bombeada para o gerador de vapor onde a pressão desce e a água vaporiza de seguida este vapor irá aquecer um outro reservatório de agua, pela razão de a primeira ser radioativa (por ter estado em contato com o urânio). Este vapor fará movimentar uma turbina, a qual está ligada sobre um eixo a um gerador, gerador este que consiste num dínamo a indução eletromagnética para desta forma transformar energia mecânica em energia elétrica. Por fim, uma terceira água é utilizada para resfriar o reator. Sendo posteriormente libertada para o meio ambiente como vapor de água pela torre de arrefecimento. [4],[5],[6] O Papel da Engenharia Mecânica nas Energias não Renováveis Energia Nuclear 9/22

10 Figura 3: Funcionamento de uma central nuclear. [16] 4.2. Características do Reator Um reator nuclear de fissão é uma montagem que permite a ocorrência controlada de fissões nucleares. Nas centrais nucleares, o reator nuclear é aproveitado como fonte calor, este gera enormes quantidades de calor sendo toda a sua estrutura exposta às elevadas temperaturas e radiações que se geram no seu interior, por essa razão todo o reator é hermeticamente isolado e rodeado por um espesso escudo constituído por cimento e aço para evitar qualquer tipo de fugas para o exterior. [4],[12] 4.3. Energia Envolvida Este processo produz enormes quantidades de energia. Por exemplo, duas pequenas pastilhas de urânio produzem energia suficiente para uma habitação média, durante um mês. Sendo que, o urânio é utilizado em varetas com cerca de 400 pastilhas iguais.[6] O Papel da Engenharia Mecânica nas Energias não Renováveis Energia Nuclear 10/22

11 Figura 4: Diagrama das energias dissipadas numa central nuclear. Contudo este processo possui imensas perdas de energia, principalmente na transformação da energia calorifica em energia elétrica. Uma central nuclear eficiente tem apenas no máximo 35% de energia. Apesar de tudo isto a energia nuclear é a fonte energética com maior capacidade de obtenção de energia em relação a todas as outras que estão a ser exploradas. [6] O Papel da Engenharia Mecânica nas Energias não Renováveis Energia Nuclear 11/22

12 5. Vantagens e Desvantagens 5.1. Vantagens Uma das principais vantagens da energia nuclear são as grandes quantidades de energia produzidas, explicadas anteriormente. Por outro lado, em relação as energias provenientes dos combustíveis fósseis, a poluição atmosférica é reduzida. Não liberta grandes quantidades de gases como: dióxido de carbono, enxofre, nitrogênio e etc (liberta fundamentalmente vapor de água) Por último, não depende das condições climáticas. Ao contrario de outras fontes de energia nomeadamente algumas das renováveis (solar, eólica) 5.2. Desvantagens No entanto, também possui algumas desvantagens. Trata-se de uma energia não renovável. Apesar de a probabilidade de acontecer um acidente ser reduzida, pois a segurança numa central nuclear é levada muito a sério, os problemas acontecem. Como podemos verificar no recente acidente de Fukushima. Um acidente destes é capaz de contaminar águas, criar mutações e mortes nos seres vivos e prejuízos a longo prazo. As centrais são locais com grande probabilidade de sofrerem um ataque terrorista. pois elas destruídas podem causar muitos danos como foi referido anteriormente. [1] Uma das principais desvantagens é o lixo nuclear. Este lixo é constituído essencialmente pelo material radioativo que já não pode ser utilizado como combustível e também por todos os resíduos que entraram em contacto com o material radioativo. Desde os resíduos da mineração aos fatos utilizados pelos trabalhadores. Todo este lixo é altamente radioativo e precisa de ser isolado do meio ambiente durante centenas de anos. E o problema, está em encontrar os sítios certos. Normalmente são armazenados em caixotes de ferro e colocados em espaços geológicos apropriados ou em minas abandonadas. O Papel da Engenharia Mecânica nas Energias não Renováveis Energia Nuclear 12/22

13 A água utilizada para resfriar os reatores, volta aos ecossistemas pelos lagos, rios e etc Mas só que essa água por vezes volta a temperaturas elevadas. Gerando assim uma poluição térmica. Em que por exemplo, pode reduzir a solubilidade do oxigênio influenciando assim os seres vivos que lá habitam. Para além de tudo isto, os elevados custos econômicos da construção de uma central nuclear também se apresenta como um obstáculo. Está é, por exemplo, uma das principais razões pela qual Portugal não produz este tipo de energia.[3] O Papel da Engenharia Mecânica nas Energias não Renováveis Energia Nuclear 13/22

14 6. Dados Estatísticos da Produção de Energia Nuclear O principal uso da energia nuclear é na produção de eletricidade. A sua produção bruta na UE-28 países em 2012 aumentou cerca de 11% em relação a 1990, o equivalente a um aumento médio de 0,5% ao ano. No entanto, duas tendências diferentes podem distinguir-se ao longo deste período. De 1990 a 2004, a quantidade total de eletricidade produzida em instalações nucleares na UE aumentou 23,0%, atingindo um pico de 1 008,4 milhões GWh em Entre 2004 e 2012, a produção total da energia nuclear na UE-28 diminuiu cerca de 12,5%. O pico da produção de eletricidade em centrais nucleares na UE foi atingido em 2004, sendo que foi lentamente diminuindo até Neste ano, as centrais nucleares, presentes em metade dos países da UE, Bélgica, Bulgária, República Checa, Alemanha, Espanha, França, Hungria, Países Baixos, Roménia, Eslovénia, Eslováquia, Finlândia, Suécia e Reino Unido, geraram cerca de 30% de toda a eletricidade produzida na União Europeia. Figura 5: Dados estatísticos da produção de Energia Nuclear pelos países da EU-28 Como podemos ver no gráfico a cima, o maior produtor de energia nuclear na UE-28 em 2012 foi a França (48,2%) do total, seguido da Alemanha (11,3%), Reino Unido (8,0%), Suécia (7,3%) e Espanha (7,0%). 80% do volume total de eletricidade gerada em instalações nucleares na UE é gerada por estes 5 estados-membros. De 1990 a 2012, a maioria dos países aumentou a sua produção de energia nuclear, a O Papel da Engenharia Mecânica nas Energias não Renováveis Energia Nuclear 14/22

15 República Checa (141,0%), França (35,4%), Eslováquia (28,7%), etc. Outros diminuíram a sua produção de energia nuclear, como a Alemanha, que registou a maior queda ( GWh), seguida pela Lituânia ( GWh), cujas instalações nucleares deixaram de estar ativas em (Os dados mais recentes disponíveis são para 2012 e estão disponíveis para todos os 28 Estados-Membros da UE). Os Estados Unidos são os maiores produtores de energia nuclear do mundo, de acordo com o ranking da ONG World Nuclear Power. Por ano, produzem cerca de 798,7 bilhões de kwh de energia em 104 reatores nacionais. Os franceses ocupam a segunda posição no ranking dos maiores produtores de energia nuclear do mundo, com 391,7 bilhões de kwh por ano. A França é um dos países mais dependentes de energia nuclear do mundo. Cerca de 75% de toda a energia que usa vem de fontes radioativas. Segue-se do Japão, Rússia, Correia do Sul, Alemanha, Canadá, Ucrânia e China. [7],[8],[9] O Papel da Engenharia Mecânica nas Energias não Renováveis Energia Nuclear 15/22

16 7. Futuro da Energia Nuclear Na geração atual, a energia elétrica provém essencialmente dos combustíveis fosseis, dando alguma notoriedade ao petróleo e ao carvão, estes são os principais contribuidores do aumento da emissão de dióxido de carbono para a atmosfera que por conseguinte se repercute no aquecimento global. Tendo por base este conhecimento é necessário focar a nossa dependência energética noutra fonte, como por exemplo, a energia nuclear. As estações nucleares conseguem produzir energia eficazmente sem emitirem grandes quantidades de agentes nocivos para a atmosfera, sendo, assim, vista como uma energia limpa pelo simples facto de que esta não polui o ar. Todavia a energia nuclear também tem os seus defeitos, pois esta trabalha com materiais radioativos que são altamente tóxicos, podendo causar queimaduras, doenças de sangue e cancros. O lixo radioativo também é um dos seus problemas, e representa uma séria questão no impacto ambiental devido ao facto de este ter de ser armazenado. O que em caso de acidente danifica enormes áreas, como aconteceu em 1986 em Chernobyl, Ucrânia, em que mais de 100,000 pessoas tiveram de ser realojadas devida à nuvem de partículas radioativas que pairou em redor da central.[10] Por estas razões o objetivo primário da energia nuclear passa por transformar esta energia num recurso capaz de assegurar a nossa necessidade energética, garantir um desenvolvimento sustentável e melhorar a sua segurança. Isto só será possível através do desenvolvimento de novas tecnologias, de soluções que melhorem a fiabilidade e ainda garantam a segurança. Nesta procura por novas tecnologias, foi desenvolvido outro tipo de processo para a obtenção de energia através da energia nuclear, a fusão nuclear. A fusão nuclear oferece um fonte de energia capaz de produzir incomensuráveis quantidades de energia de forma imparável para futuras gerações, contudo também representa um dos maiores desafios ao nível da ciência e da engenharia. [11] O Papel da Engenharia Mecânica nas Energias não Renováveis Energia Nuclear 16/22

17 8. A Energia Nuclear em Portugal Atualmente, em Portugal, não se produz energia nuclear, nem existem projetos governamentais para que Portugal inicie a sua produção, a curto prazo. Com a elevada procura pelo minério, urânio, Portugal está a ser foco de alguns estudos por parte de empresas internacionais, porque para já toda a produção nacional de urânio nas minas (da Urgeiriça) é exportada, visto que o país não possuí centrais nucleares. Figura 6 : Distribuição do urânio por Portugal Continental [17] O Papel da Engenharia Mecânica nas Energias não Renováveis Energia Nuclear 17/22

18 A Quercus apresentou de forma sucinta as razões pelas quais considera inviável, num quadro de desenvolvimento sustentável do país e a bem da economia portuguesa, a opção pela energia nuclear. 1. Portugal tem uma enorme oportunidade na conservação de energia e eficiência energética 2. O potencial de implementação das energias renováveis em Portugal é enorme (da energia eólica, biomassa e solar, sendo que a hídrica já apresenta níveis de exploração bastante consideráveis) 3. A energia nuclear serve para produzir eletricidade e esta representa apenas cerca de 20% do consumo de energia final do país Uma central térmica recorrendo a combustível nuclear apenas consegue produzir eletricidade e Portugal depende sobretudo de combustíveis fósseis, como o petróleo, relacionado com o uso da energia em sectores como os transportes e a indústria. 4. A energia nuclear é muito mais cara A produção de energia nuclear é das mais dispendiosas, contrariamente ao que é habitualmente comunicado aos cidadãos (apenas o solar fotovoltaico apresente valores mais elevados). Figura 7 : Custos da energia por kilowatt-hora [17] 5. A falácia da produção limpa em termos de emissões de gases de efeito de estufa A produção de energia nuclear não é isenta de emissões de gases de efeito de estufa responsáveis pelas alterações climáticas, quer na sua construção, como na exploração do Urânio e no transporte e processamento dos resíduos. Os níveis calculados de emissão em termos de ciclo de vida colocam uma central nuclear numa situação pior que uma central a gás natural. 6. Segurança de abastecimento comprometida - Potencialidade de descentralização oferecida pelas energias renováveis é contrariada por uma central nuclear A segurança de abastecimento é um dos aspetos mais relevantes para evitar problemas como os blackouts que sucederam na costa Oeste dos Estados Unidos e no Brasil, ou ameaças externas como o bloqueio de fornecimento de combustível (como aconteceu nos problemas entre a Rússia e a Ucrânia). Tem sido assim defendida uma descentralização da produção que, no limite, será baseada em energias renováveis associadas às próprias residências, até porque assim existem menos perdas no transporte. Assim, a produção centralizada com uma enorme potência instalada contradiz objetivos de longo prazo que O Papel da Engenharia Mecânica nas Energias não Renováveis Energia Nuclear 18/22

19 têm vindo a ser reforçados à escala europeia e num quadro de maior sustentabilidade da gestão da produção e consumo de eletricidade. [17] 9. Conclusões Em suma, a energia nuclear é uma fonte de energia altamente rentável, com um muito pequeno impacto ambiental em comparação com as outras energias não renováveis. Todavia também tem alguns pontos fracos, como o impacto aquando de um acidente numa central nuclear e os resíduos radioativos resultantes da produção da mesma. Assim, com o avançar da tecnologia e da ciência esta energia tornar-se-á cada vez mais rentável e segura. O Papel da Engenharia Mecânica nas Energias não Renováveis Energia Nuclear 19/22

20 10. Referências bibliográficas 1. Hirsch, H., et al. (2007). "Perigos dos reatores nucleares: riscos na operação da tecnologia nuclear no século XXI." Estudos Avançados 21: Acedido a 27 de Setembro de Jimes., Vasco Milanez., Ricardo Almeida., & Fausto Silva. (2006, Fevereiro). ENERGIA NUCLEAR SOCIALMENTE ACEITÁVEL COMO SOLUÇÃO. Acedido a 27 de Setembro de Jennifer Rocha - Mundo Educaçao. (2012). Vantagens e desvantagens do uso da energia nuclear. Energia nuclear - Mundo Educação. Acedido a 27 de Setembro de Thomas Schwenke. (2013, Junho 22). How Nuclear Power Plants Work / Nuclear Energy (Animation) [Video file]. Acedido a 1 de outubro de Elearnin. (2013, April 23). Nuclear Reactor - Understanding how it works Physics Elearnin [Video file]. Acedido a 1 de outubro de Luca Fraioli., & Giovanni Carrada. (2002). A Matéria. Em Enciclopédia Pedagógica Universal (Vol. 1). Matosinhos, PT. 7. Zeynep Kahraman., Cedric Ringenbach., & Léo Benichou. (2013). Breakdown of Energy Production Statistics The Shift Project Data Portal. Acedido a 9 de Outubro de Eletrobras Eletronuclear. (2011, Novembro). Panorama da Energia Nuclear no O Papel da Engenharia Mecânica nas Energias não Renováveis Energia Nuclear 20/22

21 Mundo. Acedido a 9 de Outubro de European Comission. (2014, February). Nuclear energy statistics - Statistics Explained. Acedido a 2 de Outubro de Revista USP. (2007, Fevereiro). O futuro da energia nuclear. Acedido a 8 de Outubro de Pereira. (2010, Janeiro 2). Cálculo de Reatores - Reator Nuclear. Acedido a 15 de Outubro de Iter. (2014). ITER - the way to new energy. Acedido a 15 de Outubro de "Fissão Nuclear." n.d. [Image File] Fusão Nuclear n.d. [Image File] Como funciona uma central nuclear 17. Quercus. (2009). Quercus dá 15 razões para não se optar pela energia nuclear. Acedido a 7 de Outubro de National Geographic. (2013). nuclear energy - National Geographic Education. Acedido a 8 de Outubro de O Papel da Engenharia Mecânica nas Energias não Renováveis Energia Nuclear 21/22

22 pela-energia-nuclear-em-portugal?bl=1 18. Diffen. (2012). Nuclear Fission vs Nuclear Fusion - Difference and Comparison Diffen. Acedido a 7 de Outubro de O Papel da Engenharia Mecânica nas Energias não Renováveis Energia Nuclear 22/22