O AUMENTO DA POTÊNCIA DO REATOR TRIGA IPR-1:NOVAS PERSPECTIVAS DE ATIVIDADES RESUMO

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1 O AUMENTO DA POTÊNCIA DO REATOR TRIGA IPR-1:NOVAS PERSPECTIVAS DE ATIVIDADES Fausto Maretti Júnior e Paulo Fernando Oliveira Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear/ CNEN Caixa Postal , Belo Horizonte, Minas Gerais, Brasil e mail: fmj@cdtn.br RESUMO O Reator TRIGA Mark I IPR-R1 opera no Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear, originalmente Instituto de Pesquisas Radioativas, em Belo Horizonte, Minas Gerais, desde 6 de Novembro de Inicialmente operou para produção de radioisótopos para diferentes usos, sendo mais tarde utilizado em larga escala para outros propósitos como análises por ativação com nêutrons e treinamento de operadores de reatores de centrais nucleares. Muitas teses de mestrado e doutorado também foram desenvolvidas com o uso do reator. Ao longo dos anos, diversos melhoramentos foram introduzidos no reator e seus sistemas auxiliares, com o intuito de prover melhor aproveitamento de suas instalações e com o objetivo de otimizar o uso do mesmo e também de aumentar a segurança na operação. O reator chega aos 42 anos, com um programa de aumento de potência para 250 kw, no mesmo ano em que o Centro completa 50 anos de fundação, o qual permitirá ampliar as aplicações nucleares programadas para o mesmo. Já foram modificados o Manual de Operação e o Relatório de Análise de Segurança, bem como o Plano de Emergência e os procedimentos relativos ao mesmo. Em meados de 2002, o reator já estará operando na nova potência. Esse trabalho apresenta um descrição das diversas realizações dos últimos anos e comentários sobre a possibilidade de novas utilizações para o reator nas diversas áreas de aplicações nucleares. Keywords: research reactor, activation analysis, radioisotopes, environment, reactor uses I. INTRODUÇÃO O Reator TRIGA Mark I IPR-R1 opera no Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear, originalmente Instituto de Pesquisas Radioativas, em Belo Horizonte, Minas Gerais, desde 6 de Novembro de Inicialmente operou para produção de radioisótopos para diferentes usos, sendo mais tarde utilizado em larga escala para outros propósitos como análises por ativação com nêutrons e treinamento de operadores de reatores de centrais nucleares. Muitas teses de mestrado e doutorado também foram realizadas através do uso do reator. Ao longo dos anos, diversos melhoramentos foram introduzidos no reator e seus sistemas auxiliares, com o intuito de prover melhor aproveitamento de suas instalações e com o objetivo de otimizar o uso do mesmo e também de aumentar a segurança na operação. O uso da energia nuclear como ferramenta de trabalho ou mesmo como utilização secundária nos diversos campos da ciência e tecnologia é bastante amplo e muitas vezes mais fácil, rápida, e mais simples que muitos métodos competitivos utilizados no mercado Figura 1. Núcleo do Reator TRIGA IPR-R1 Através do uso de radioisótopos podemos encontrar aplicações em praticamente todos os campos da ciência e indústria, como utilização na Agronomia, Biologia, Medicina. Geologia, Física, Veterinária e na Indústria. Os reatores nucleares de pesquisa têm contribuído para a produção desses radioisótopos e através dos mesmos, a ciência em geral, quer através de testes ou mesmo através da utilização de radioisótopos artificiais, desenvolveu um

2 número considerável de técnicas, processos e teorias, que permitiram contribuir com uma melhor qualidade de vida da população mundial. II. PESQUISAS REALIZADAS COM O REATOR TRIGA IPR-R1 Desde sua instalação em novembro de 1960, o reator TRIGA MARK I IPR-R1, do Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear em Belo Horizonte, cujo núcleo é mostrado na Figura 1, têm irradiado inúmeros alvos quer para produção de radioisótopos ou para análises que utilizam técnicas nucleares. Dentre esses trabalhos podemos destacar: Análise por Ativação. Mais que 95% das amostras irradiadas no reator foram destinadas à análise por meio de ativação neutrônica. Na maioria destas análises foi efetuada dosagem de urânio em minérios pela contagem dos nêutrons atrasados de fissão. Destacam-se também análises como contaminações de arsênio em rios, Mercúrio em garimpos, indivíduos e alimentos, análises de minérios os mais variados. Entre outros radioisótopos gerados para o mesmo fim podemos destacar 20 F, 28 Al, 56 Mn, 64 Cu, 99 Mo 101 Mo, 108 Ag, 122 Sb, 125 Sn, 128 I-, 198 Au, 233 Th e outros nuclídeos do grupo das terras raras [1,2,3]. Aplicações Industriais. Os radioisótopos produzidos para serem utilizados como traçadores radioativos ( 56 Mn, 59 Fe, 60 Co, 82 Br, 198 Au, 41 Ar), foram aplicados em estudos tais como: condições de escoamento de oleoduto, medidas de vazão em bombas e turbinas hidráulicas, estudos de desgastes provocados em minerodutos, controle de desgaste em altos fornos, determinação do tempo de permanência de clínquer em moinhos de bola de fábricas de cimento, controle de lingotamento em aciarias, inspeção de torres de craqueamento de refino de petróleo. Ver Figura 2. Figura 2. Aplicações na Indústria: Inspeções em Turbinas a Vapor Biologia e Medicina. Além da produção de 131 I para fins de diagnóstico na glândula tireóide de indivíduos, foram fabricados outros radioisótopos para realização de pesquisas com Schistosoma Mansoni, incorporação de 24 Na em tumores de coelhos albinos, efeitos terapêuticos do 198 Au em infiltrações intra-articulares e razão de eliminação de ferro na triotomidas com 59 Fe. Engenharia Ambiental. Foram realizados diversos estudos de sedimentologia de fundo (transporte por arraste) e de suspensão em diversos portos do Brasil utilizando os radioisótopos -51 Cr, 56 Mn, 82 Br, 198 Au e 192 Ir. Foram feitas, também, medidas de poluição oceânica por efluentes líquidos e rejeitos sólidos e medidas de vazão de rios, canais e ribeirões. Ver Figura 3. Figura 3. Controle de poluição de rios e lagos Dosimetria da radiação. Dosimetria gama no reator IPR- R1, monitoração da potência do reator com 16 N, utilização de turmalina como dosímetro de nêutrons, etc. Física do Estado Sólido e Nuclear. Efeito Mössbauer em LiFeO 2 e LiF, geração de defeitos com cromatos de potássio e fosfato de amônia, formação de centros de cor e dosagem de cristais como KCl, LiF, kunzita e turmalina. Física de Reatores. Medidas de fluxo e distribuição de nêutrons, medidas de reatividade no núcleo, espectrometria de nêutrons com detectores de limiar,, medidas de seções de choque para nêutrons de materiais. Radioquímica. Estudos de radiólise em complexos de Co e Cr, produção de 45 Ca e 51 Cr, determinação de Cu e Au em cristais de KCl, dosagem de Au e Pt em rochas ultra básicas, estudos sobre reação 108 Cd (n, p) 108 Ag, determinação de diversos elementos em amostras diversas, análise de urânio e tório em minérios, determinação de contaminantes em tintas utilizadas em componentes de reatores nucleares, determinação de metais pesados em cabelo de pacientes acometidos de leucopenia e em soro sangüíneo de empregados de siderurgia, estudos de contaminantes em água de minas e rios, contaminação de alimentos e cigarros, estudo de componentes químicos em chás caseiros, entre outros [4,5]. Técnicas Nucleares. Implantação e implementação das técnicas de autoradiografia e neutrongrafia para controle de qualidade de aços especiais e outros materiais

3 III. UTILIZAÇÃO EM CIÊNCIAS BIOLÓGICAS As técnicas nucleares encontraram, nas últimas décadas, um número expressivo de aplicações na pesquisa de nutrição humana e também na eliminação de pragas e doenças através de uso de compostos marcados utilizados no controle de determinados insetos e bactérias.[6] Através de traçadores isotópicos estáveis como hidrogênio, carbono, nitrogênio e oxigênio, podemos estudar o consumo de energia para adaptação metabólica em regiões de baixo consumo protéico, a dieta terápica usando alimentos locais para tratamento de doenças como diarréias crônicas em crianças e mesmo infecções como a Hepatite B. IV. APLICAÇÕES EM ESTUDOS HIDROLÓGICOS A manutenção da qualidade da água, assim como o suprimento e renovação das fontes é um problema bem conhecido, mas está ganhando maiores proporções com o crescimento da população e das fontes de poluição no mundo. Antes da utilização de radioisótopos e do desenvolvimento da instrumentação para medidas acuradas da radioatividade dos núcleos radioativos e estáveis, era muito difícil e algumas vezes impossível solucionar certos problemas de hidrologia, essenciais para o planejamento agrícola, industrial e habitacional. As medidas de vazão em turbinas e o controle de assoreamento de lagos, portos e barragens, tiveram grande desenvolvimento com a utilização dos radioisótopos radioativos. A figura 4 apresenta a barragem de Malta, cujos estudos de assoreamento foram realizados através do uso de isótopos radioativos. através de sofisticados modelos matemáticos que, permitem obter ainda mais informações das aplicações dos traçadores, como os utilizados em um sistema de água subterrânea. Os radioisótopos desempenham uma importante função no estudo de: Água Subterrânea. Origem, idade, distribuição, qualidade da água, ocorrências e recarga, mecanismos e interconexão entre bacias subterrâneas. Água de Superfície. Dinâmicas de lagos e reservatórios, vazamentos em barragens, estudo de transporte subterrâneos, medidas de vazão de rios, transporte de materiais em suspensão, taxa de sedimentação. Os métodos que utilizam radioisótopos são normalmente utilizados juntos com aqueles métodos que utilizam outros materiais de estudos hidrológicos convencionais, atuando assim como uma ferramenta adicional na solução de muitos problemas da hidrologia. A utilização de radioisótopos pode ainda ser usada no estudo de : 1. Determinação da idade de depósitos subterrâneos de água, em locais áridos e semi-áridos, como auxílio para a localização de áreas de desenvolvimento industrial, para verificação se há contato entre as águas do lençol e ás águas industriais. 2. Estabelecimento de métodos para estudos de poluição de água ou de alta salinidade e suas causas. 3. Estudo de transferência subterrânea de bacias aqüíferas, através de falhas e movimentação interna 4. Medição da dinâmica sedimentológica e determinação da erosão causada por poluição, infiltrações e por movimentos de terras. 5. Estudos de interações entre água subterrânea e a matriz aqüífera através de isótopos ambientais e artificiais 6. Estudo da sedimentação de dejetos em portos e barragens. V. APLICAÇÕES AMBIENTAIS Figura 4. Controle de vazão em barragens e represas Muitos problemas fundamentais da hidrologia têm nas técnicas com radioisótopos uma importante ferramenta de trabalho para os hidrologistas, tornando-se em muitos casos, a solução ideal para uma determinada atividade. Os isótopos artificiais são usados para solucionar problemas hidrológicos tais como vazamentos em barragens ou definir zonas de proteção de reservatórios subterrâneos. Muitas vezes outros dados são obtidos, A poluição ambiental é hoje um problema mundial e muitas vezes precisa de uma ação imediata. Na tomada de ações contra a poluição deve-se levar em conta a quantidade exata e os lugares de ocorrência dos poluentes, as causas da poluição e como extinguir essa poluição, sem a criação de outros efeitos indesejáveis. Assim estudos dessa natureza têm sido realizados em refinarias e plantas industrias de processamento de petróleo e usinas térmicas, como por exemplo as usinas térmicas a carvão americanas. Figura 5 Como os radioisótopos podem ser detectados em quantidades muito pequenas e o seu caminho pode ser seguido ou traçado, o estudo de poluentes, quer seja no ar, no solo ou na água, com utilização desses radioisótopos, tem sido muito utilizado ao longo dos anos.

4 processos, medidas, automação e controle de qualidade. Ver Figura 6. O uso dos mesmos na indústria de placas de aço e papel, tem permitido uma maior automação em algumas linhas de produção. As indústrias que utilizam técnicas de traçadores, são : 1. aço, ferro, carvão, e petroquímica; 2. cimento, vidro, materiais de construção; 3. processamento mineral, polpa e papel; 4. metais não ferrosos e indústria automotiva. Figura 5. Controle da Poluição Atmosférica O aquecimento global, também chamado de efeito estufa, com o contínuo aquecimento de nossa atmosfera, tem sido causado pelas grandes quantidades de dióxido de carbono através da queima de carvão e de matérias orgânicas como o petróleo, madeira e lixo. Os radioisótopos são bastante usados nas medidas e no estabelecimento da trajetória desses poluentes e métodos nucleares também podem ser empregados com sucesso para remover poluentes gasosos, incluindo o gás sulfídrico ou o óxido de nitrogênio, emitidos principalmente pelas centrais térmicas a carvão. Como a poluição do ar e da água é mais visível, a poluição do solo começa a se tornar um problema, pois os poluentes a cada dia se tornam mais presentes na cadeia alimentar do homem e dos animais através do uso constante de pesticidas. Do mesmo modo, muitos dos fertilizantes utilizados na agricultura se decompõem na forma de produtos da oxidação do nitrogênio e podem se tornar um sério problema. Os métodos nucleares têm sido utilizados para determinar e apresentar soluções para combater essa poluição.[7,8] VI. APLICAÇÕES GEOLÓGICAS E DE DATAÇÃO Os métodos nucleares têm um papel importante e decisivo na geologia. São usados, por exemplo, para determinar as propriedades físicas e químicas do solo. Esses métodos são bastante utilizados na pesquisa de rochas, solos e água. Os minerais radioativos são uma parte importante da geologia. São 19 elementos, dando origem a cerca de 45 ocorrências naturais de isótopos radioativos, podendo ser analisados quanto a sua forma física ou mesmo quanto às suas propriedades. Dos 19 elementos, os mais representativos são o urânio, o tório e o potássio. Na prospecção de muitos minerais e petróleo, os métodos nucleares têm sido procedimentos de rotina com utilização de instrumentação e métodos computadorizados. VII. APLICAÇÕES INDUSTRIAIS O uso de radioisótopos na indústria moderna é de grande importância para desenvolvimento e melhoria de Os traçadores são usados nas áreas de : 1. Desenvolvimento de Processos: tempo de residência, taxa de fluxo, velocidade, modelagem, 2.Controle de Misturadores utilizados em Homogeneização tempo e otimização de misturas e desempenho de misturadores. 3. Manutenção Preventiva e Corretiva: detecção de trincas, pesquisas de mau funcionamento, transporte de materiais. 3. Controle de Desgaste e Corrosão: desgaste de turbinas, processos de corrosão em equipamentos, estudos de lubrificação. Figura 6. Melhoria de Processos Industriais em Refinarias VIII. NOVAS PERSPECTIVAS PARA O REATOR TRIGA IPR-R1 Com o aumento da potência do Reator TRIGA IPR-R1 para 250 kw, o fluxo nos diferentes locais de irradiação deverá ser acrescido de um fator aproximado de 2,5, o que permitirá que irradiações de meia vida longa sejam feitas em um espaço de tempo menor. Isso ira permitir que a produção de alguns radioisótopos usados na indústria e outros utilizados em hidrologia e sedimentologia possam ser produzidos no mesmo, a um custo menor. Além do treinamento dos operadores das centrais de Angra I e Angra II, o reator nos últimos anos vem possibilitando novos trabalhos através da irradiação de radioisótopos que permitiram utilização em novos campos da tecnologia em geral.

5 Assim sendo passou a produzir em meados da décadas de 90, fontes de cobalto para uso em siderurgia. Essas fontes utilizadas na indústria para controlar processos de lingotamento tiveram seu projeto de fabricação modificado por técnicos do reator, tendo apresentado melhor performance que as que vinham sendo importadas dos fornecedores europeus. Com a utilização do método K 0 tornou-se mais ágil a irradiação de amostras e padrões permitindo maior agilidade na obtenção de resultados de diferentes análises do setor de radioquímica. Dentro da nova configuração do reator, deverão ser elaboradas novas curvas de calibração, o que permitirá a realização de novas análises. A Figura 7 apresenta a nova configuração do reator, com o acréscimo de 4combustíveis novos. Pela primeira vez em quarenta anos de operação foi irradiado um gás no reator. Em colaboração com a Universidade do Texas, foi irradiado o Argônio 40 para ser utilizado em estudos de vazão e fuga em torres de craqueamento de petróleo. A irradiação, realizada pela primeira vez no país, alcançou pleno êxito, havendo já consulta para novas irradiações para utilização em outros estados. [9] Figura 8. Estudos Arqueológicos em Cavernas de Minas e Sertão da Bahia Projetos de controle de rejeitos radioativos e não radioativos como bário e arsênio, também utilizarão o reator na irradiação de amostras que permitirão analisar os contaminantes e o possível destino. A irradiação de amostras com objetivo de controlar os elementos minerais presentes na produção de medicamentos inorgânicos tem como objetivo estudar a eficiência dos mesmos nos diferentes tratamentos para os quais são prescritos. [10] Com a nova potência a 250 kw, será introduzido no núcleo um combustível provido de instrumentação térmica o qual permitirá a realização de experimentos na área de estudos do comportamento térmico do combustível e também de corrosão. Encontra-se na fase final o licenciamento que permitirá aumentar a potência do reator para 250 kw. Esse aumento de potência permitirá ao reator maior utilização através da diminuição do tempo de irradiação e aumento da demanda de irradiação de radioisótopos de meia vida longa. Ver Figura 9 Com a inspeção do núcleo realizada recentemente, pode-se admitir que o reator poderá ser utilizado para outras finalidades além dessas previstas durante a próxima década. Figura 7. Configuração do núcleo do Reator TRIGA IPR-R1 para operar a 250 kw A Figura 8 mostra outro trabalho já iniciado, de conservação de bens culturais e arqueológicos do país, que exigirá irradiações de diferentes materiais no reator para realização de estudos de fungos e bactérias em obras do patrimônio histórico. O trabalho desenvolvido em conjunto pelo CDTN e AIEA, em fase final de planejamento, tem perspectivas de iniciar as irradiações em 2002.

6 [8] INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY. Nuclear Strategies in food and agriculture - 25 year of progress /1989. Vienna: IAEA [9] PAIANO SOBRINHO, S. Avaliação de segurança para irradiação de Ar-41 no IPR-R1 e operação de transferência para recipientes de transporte.1996.ni- AT4-005/96.CDTN.Belo Horizonte. MG. [10] MARETTI JÚNIOR, F. Melhorias na qualidade de vida através do uso de um reator nuclear de pesquisa. Cadernos de Engenharia, v. 8, n 10, p , dez Figura 9. O Reator TRIGA IPR-R1 do CDTN/CNEN REFERÊNCIAS [1] SABINO, CVS, MANSUR, N., Aplicação da técnica analítica por ativação neutrônica no reator de pesquisa IPR-R1. In : CONGRESSO GERAL DE ENERGIA NUCLEAR, 1, 1986, Rio de Janeiro, Anais... Associação Brasileira de Energia Nuclear. [2] MENEZES, M.A.B.C.. SABINO, C.V.S., Tório : uma das aplicações analíticas da ativação neutrônica espectrometria alfa no CDTN nas últimas três décadas. In: CONGRESSO GERAL DE ENERGIA NUCLEAR, 3, 1990, Rio de Janeiro, Anais. ABEN [3] MELO, M.Â.M.O. Determinação de 90 Sr. em água. In: ENCONTRO NACIONAL DE ANALISTAS DE ALIMENTOS, 2, 1990, São Paulo, Anais. Instituto Adolfo Lutz. [4] SABINO, C.V.S., MANSUR, N., KASTNER, S.M., Determinação de 228 Ra e 232 Th em alimentos, In : ENCONTRO NACIONAL DE ANALISTAS DE ALIMENTOS, 2, 1990, São Paulo, Anais. Instituto Adolfo Lutz ABSTRACT The IPR-R1 TRIGA MARK I Reactor is installed at the Nuclear Technology Development Center, originally Institute of Radioactive Research, in Belo Horizonte, Minas Gerais, since November 06, At the beginning it operated producing isotopes for different uses and later was used in large scale to another purposes like NAA and nuclear power plant operators training. Dozen of master and doctor degree theses were developed using the reactor and many courses were applied with its use. Through the years many increases were introduced at the reactor and its auxiliary systems, to provide better use and optimization of its operation performance and safety. The reactor, now with 42 years of use, have a upgrade program to increase its power level to 250 kw, that will permits increase the nuclear applications. The documents of the reactor, as an Operation Manual, Safe3ty Analysis Report, Emergency Plan and all procedures related to the operations are ready. By the middle of 2002 the reactor will operate to 250 kw, in the same year that the Center completes 50 years of operation This paper presents a description of all uses of the reactor in the last years and comments about the possibilities of new uses to the reactor in field of the nuclear applications [5] SABINO, C.V.S., ROSSI, E.H.M., OLIVEIRA, R. ko application in the study of average mineral composition of a sample of the hair of healthy Brazilian children In: 2nd International ko user workshop, 1996, Lublyenia, Slovenia, Proceedings... [6] INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY. Isotopes in Everyday Life. Vienna: IAEA [7] INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY. Regional co-operative arrangements for the promotion of nuclear science and technology in Latin America. Vienna: IAEA