Energia Nuclear e Impacto Ambiental

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1 José Marcus de Oliveira Godoy Este documento tem nível de compartilhamento de acordo com a licença 3.0 do Creative Commons.

2 Podemos verificar que está cada vez mais em voga pensarmos no ciclo de vida dos produtos que compramos. Imaginemos, por exemplo, pilhas sendo devolvidas aos seus fabricantes, produtos de informática ou geladeiras antigas que contém gases do tipo CFC (Cloro-Flúor-Carbono) sendo depositados em locais adequados para a reciclagem. Ao discutirmos a Energia Nuclear e seus aspectos ligados ao meio ambiente, devemos primeiro conhecer o chamado ciclo do elemento combustível nuclear. Utiliza-se o termo elemento para designar o arranjo de varetas contendo o urânio encapsulado, que será consumido durante o funcionamento dos reatores nucleares. Esse ciclo inicia-se na etapa de mineração de urânio. A percentagem de urânio nos minérios, normalmente, é baixa, menos do que 1%. Desse modo, grandes quantidades de material têm de ser trabalhadas para se obter a quantidade necessária de urânio para o funcionamento de um reator nuclear durante um ano. Se não for adequadamente planejada, como qualquer atividade de mineração de grande porte, a mineração de urânio pode causar forte impacto ambiental. Esse planejamento deve incluir, entre outros, questões como: a geração de poeiras, a utilização das águas e a recuperação da área degradada após o fechamento do empreendimento. Como consequência do baixo teor de urânio, grandes volumes de minério teriam de ser transportados e o custo do transporte para o seu processamento, em algum local distante da mineração iria inviabilizar financeiramente o empreendimento. Dessa forma, associa-se a mineração de urânio ao seu processamento. Durante essa etapa, o minério é tratado com ácido sulfúrico visando a solubilizar o +2 urânio. Após, ele encontra-se na forma de íons uranila (UO 2 ). Segue-se a precipitação do urânio com di-uranato de amônio [(NH 4 ) 2 U 2 O 7 ], comumente chamado de yellow-cake ou bolo amarelo, segundo a reação (1) abaixo. NH 3 (g) + 2 UO 2 +2 (aq) + 4 OH-(aq) (NH 4 ) 2 U 2 O 7 (s) + H 2 O(l) (1). 1.

3 Aspecto do yelowcake produzido em concentrado de urânio. Fonte: Cortesia das Indústrias Nucleares do Brasil S.A. INB ( Imagem cedida pela Assessoria de Comunicação Institucional e Corporativa. Foto: Marcelo Correa Tambor de yelowcake. Fonte: Cortesia das Indústrias Nucleares do Brasil S.A. INB ( Imagem cedida pela Assessoria de Comunicação Institucional e Corporativa. Foto: Igor Pessoa Figura 1: Yellow-cake - produto da mineração e processamento de minérios de urânio Com exceção dos reatores do tipo BWR (Boiling Water Reactor - reatores de água fervente), todos os reatores nucleares de potência, ou seja, destinados à produção de energia elétrica, utilizam elemento combustível enriquecidos em 235 U. A percentagem isotópica natural do 235 U é de 0,73%, enquanto que reatores PWR (Pressurized Water Reactor - reatores de água pressurizada) empregam elemento combustível com cerca de 4% de 235 U. Os processos de enriquecimento de urânio usam uma espécie gasosa contendo urânio: o hexafluoreto de urânio (UF 6 ). Assim sendo, a etapa seguinte do processo é a conversão do (NH 4 ) 2 U 2 O 7 em UF

4 Para converter-se o (NH 4 ) 2 U 2 O 7 em UF 6, são necessárias as etapas abaixo: (NH4) 2 U2O7 (s) Δ 2 UO3(s) + 2 NH3(g) + H2O(g) (2) UO3 (s) + H2(g) UO2(s) + H2O(g) (3) UO2 (s) + 4 HF(aq) UF4 (s) + 2 H 2O(l ) (4) UF4 (s) + F2 (g) UF6 (g) (5) O hexafluoreto de urânio é, então, utilizado no processo de enriquecimento. No Brasil, emprega-se o enriquecimento através de ultracentrífugas (Figura 2) e, como o fator de enriquecimento obtido em cada estágio é baixo, utiliza-se um conjunto dessas unidades chamado de cascata (Figura 3). Figura 2: Esquema básico de uma ultracentrífuga. Fonte: Cortesia das Indústrias Nucleares do Brasil S.A. INB ( Imagem cedida pela Assessoria de Comunicação Institucional e Corporativa.. 3.

5 Figura 3: Conjunto de ultracentrífugas formando uma cascata. Fonte: Cortesia das Indústrias Nucleares do Brasil S.A. INB ( Imagem cedida pela Assessoria de Comunicação Institucional e Corporativa. O impacto radiológico ambiental dessas duas unidades é considerado baixo e o maior problema ambiental está relacionado com o emprego de HF e de F 2, ambos bastante tóxicos e corrosivos. Certamente, por questões de segurança, o emprego do urânio na forma gasosa em reatores nucleares não seria algo dos mais aconselháveis. Por essa razão, a etapa seguinte ao enriquecimento é chamada de reconversão, ou seja, ao contrário da etapa de conversão, temos a transformação do UF 6 (gás) em UO 2 (sólido). A Figura 3 ilustra como esse processo ocorre na Fábrica de Elementos Combustíveis, Indústrias Nucleares Brasileiras, em Resende, no Estado do Rio de Janeiro.. 4.

6 Figura 4: Esquema do processo de reconversão conforme realizado na Fonte: Fonte: Cortesia das Indústrias Nucleares do Brasil S.A. INB ( Imagem cedida pela Assessoria de Comunicação Institucional e Corporativa. Um reator nuclear de potência do tipo PWR como os existentes em Angra dos Reis trabalha com uma sequência de barreiras de contenção, a fim de que os produtos da fissão do urânio não atinjam o meio ambiente. A primeira dessas barreiras é a própria pastilha de urânio enriquecido. O elemento combustível nuclear é um arranjo de vareta, produzido em uma liga metálica à base de zircônio chamada de Zircalloy. No interior dessas varetas, existem pastilhas cerâmicas de UO 2 (Figura 4). Portanto, as varetas são consideradas a segunda barreira (Figura 5). O reator nuclear de Angra 2 possui 193 desses conjuntos contendo cada um 236 varetas, perfazendo um total de varetas. Figura 5: Pastilha cerâmica de UO2. Fonte: Cortesia das Indústrias Nucleares do Brasil S.A. INB ( Imagem cedida pela Assessoria de Comunicação Institucional e Corporativa. Foto: André Luiz Melo. 5.

7 Figura 6: Elemento combustível nuclear composto de 236 varetas de Zircalloy. Fonte: Cortesia das Indústrias Nucleares do Brasil S.A. INB ( Imagem cedida pela Assessoria de Comunicação Institucional e Corporativa. Foto: Marcelo Correa Os elementos combustíveis permanecem cerca de três anos no núcleo do reator, período durante o qual a percentagem de 235 U diminui para cerca de x%. Reatores nucleares A Figura 7 mostra o esquema de funcionamento de um reator nuclear de potência, ou seja, destinado à produção de energia elétrica. Na realidade, um reator nuclear de potência é, em linhas gerais, igual a qualquer usina termoelétrica. Possui uma caldeira (núcleo do reator) onde há produção de calor (fissão nuclear do 235 U). Este, por sua vez, gera vapor d água - elevando a temperatura e a pressão. O vapor d água ao se expandir impulsiona as turbinas produzindo energia elétrica. Repare que no caso de um reator nuclear, a água que está em contato com o elemento combustível nuclear, denominada água refrigerante, funciona em um circuito fechado. Esse calor é trocado com a água do chamado circuito secundário, gerando o vapor que movimentará as turbinas. Note, também, que existe outro circuito de água, representado em verde na Figura 6. Esse circuito é necessário para completar o chamado ciclo de Carnot, em que temos um reservatório a uma temperatura (T 1 ) do qual é retirada certa quantidade de calor (Q 1 ). O circuito de água é produzido em um motor a uma dada quantidade de trabalho (W) e cedido calor (Q 2 ) a outro reservatório que se encontra a uma temperatura (T 2 <T 1 ). No caso do reator nuclear: Q 1 é retirada do Gerador de Vapor; o trabalho é executado na turbina; e Q 2 é cedida no circuito em verde. A razão Q 1 /W é chamada de rendimento da máquina térmica, que no caso de um reator nuclear tipo PWR está na faixa de 33%. Portanto, um reator com potência elétrica de 1300 MWe como Angra 2 tem uma potência térmica de 3900 MWt.. 6.

8 Figura 7: Esquema de funcionamento de um reator nuclear tipo PWR. Fonte: Cortesia do Arquivo Eletronuclear Eletrobrás Termonuclear S.A ( Imagem cedida pelo Departamento de Comunicação e Segurança. Muitas vezes associamos os reatores nucleares à figura de grandes chaminés soltando enormes rolos de fumaça. Essa fumaça é, na realidade, o vapor d água gerado pela diferença, em termos de potência, que acaba sendo dissipada na forma de calor. No caso dos reatores de Angra dos Reis, esse calor é dissipado bombeando-se água do mar. Em outras palavras, a água do mar é bombeada da praia de Itaorna, onde estão localizados os reatores, e, após a troca de calor, ela é descarregada na Baía de Piraquara de Fora. O aquecimento das águas dessa baía é considerado como um dos principais impactos ambientais causados pelas usinas nucleares de Angra dos Reis. Temos, ainda, na Figura 6, o Vaso de Pressão, que representa a caldeira propriamente dita, onde ocorre a fissão dos núcleos de 235 U - gerando calor e aquecendo a água - e o Vaso de Contenção, na realidade, o prédio do reator. Essas duas estruturas representam barreiras adicionais, visando a minimizar a liberação de material radioativo em condições normais e em caso de acidentes. Analistas dizem que uma das razões que contribuíram para a extensão do acidente nuclear de Chernobyl foi a ausência dessas duas estruturas nos reatores soviéticos ( Existe liberação de substâncias radioativas pelos reatores nucleares mesmo em situações normais de operação? Sim, existe. Essa liberação ocorre tanto através dos efluentes líquidos como dos efluentes gasosos da instalação. Há no prédio do reator uma pressão negativa, ou seja, a pressão interna do. 7.

9 prédio é inferior a uma atmosfera. Essa pressão negativa visa a evitar que substâncias radioativas gasosas sejam liberadas para o meio ambiente. As barreiras representadas pelas pastilhas cerâmicas do elemento combustível, as varetas de Zircalloy e o próprio vaso do reator não são suficientes para evitar que alguns dos radioisótopos - gerados pelas reações nucleares - acabem vazando para o interior do prédio do reator. Esses radioisótopos representam, em sua grande maioria, isótopos de gases nobres, como: xenônio (Xe) e kriptônio (Kr), de iodo e trítio ( 3 H). O ar existente no prédio do reator é, constantemente, recirculado e tratado. O tratamento retém iodo e partículas em suspensão no ar, mas parte do trítio existente e dos radioisótopos de gases nobres são liberados para o meio ambiente. Se lembrarmos que o reator nuclear é uma grande caldeira, operando a grandes pressões e a elevadas temperaturas, perceberemos que sempre haverá vazamentos em juntas e válvulas. A água que vaza é drenada para o tanque de rejeitos, tratada e liberada para o meio ambiente. O tratamento retém a maior parte dos elementos radioativos, havendo, no entanto, a liberação, em particular, de 3 H. No caso do Brasil, os limites de liberação de radioisótopos para o meio ambiente fazem parte da legislação e constam do processo de licenciamento do reator nuclear a cargo da Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN) e do IBAMA. Tipos de reatores nucleares Existem diferentes formas de classificarmos os tipos de reatores nucleares existentes. A mais comum delas é baseada no fluido refrigerante utilizado para extrair o calor das varetas do elemento combustível. Assim, temos: reatores a água pressurizada; reatores a água pesada, também chamados de reatores com água fervente; e reatores a gás. Os reatores nucleares destinados à produção de energia elétrica são chamados de reatores nucleares de potência, existindo os reatores de pesquisa, os reatores para a produção de radiofármacos e os reatores militares. O reator de Chernobyl pertencia a um modelo híbrido, ou seja, era um modelo formado por dois tipos de reatores: reator de potência e reator militar, uma das razões que levou ao acidente. As lições aprendidas com os acidentes nucleares, como Three Mile Island e Chernobyl, influenciaram os projetos de reatores. Sabe-se, por exemplo, que apesar da gravidade do acidente, a liberação de radioatividade para o meio ambiente foi bem menor em Three Mile Island do que em Chernobyl devido ao vaso do reator e do prédio de contenção do reator. Outro fato que agravou o acidente de Chernobyl foi a utilização de grafite como elemento moderador, isto é, o grafite atingiu altas temperaturas e, em contato com a atmosfera, incendiou-se. Os reatores de Angra dos Reis são reatores a água pressurizada (PWR), ou seja, são reatores que empregam água como refrigerante e moderador. O moderador funciona diminuindo a velocidade dos. 8.

10 nêutrons liberados durante a reação de fissão do 235 U, aumentando a probabilidade de sua captura por outros núcleos de 235 U e mantendo o reator em funcionamento. Uma das vantagens desse tipo de reator é que o aquecimento excessivo da água em seu interior diminui o aproveitamento. Isso ocasiona uma redução da frequência de ocorrência de novas fissões, fazendo a temperatura da água também diminuir, evitando uma elevação contínua e, consequentemente, um acidente nuclear. Fechando o Ciclo do Elemento Combustível: as questões do reprocessamento e do rejeito radioativo O elemento combustível permanece cerca de três anos dentro do núcleo do reator e, ao final desse período, restam cerca de 1% de 235 U em comparação com os 3-4% originais. Além desse, há ainda 238 U, os produtos de fissão e os chamados elementos transurânicos, dos quais o plutônio faz parte. Uma vez retirado do reator, o elemento combustível possui uma grande quantidade de calor residual que precisa ser dissipado. Dessa forma, existem, no interior do edifício do reator, piscinas nas quais os elementos combustíveis queimados são depositados e armazenados. Quanto tempo eles ficam em tais piscinas? A resposta não é simples. Entretanto, quanto mais tempo, melhor. Melhor, porque a maior parte dos produtos de fissão possui um tempo de meia-vida curto (o tempo necessário para que sua concentração caia à metade). Portanto, quanto mais tempo, menos radioisótopos restam e mais fácil fica sua manipulação futura. Se compararmos este 1% 235 U com os 0,7% originais, antes do enriquecimento, vemos que sua utilização é muito interessante do ponto de vista econômico, ainda mais se nos lembramos de todo o processo envolvido - desde a mineração, produção do yellow-cake, dentre outros. O plutônio gerado também é físsel, ou seja, pode ser empregado para a geração de energia em reatores nucleares. A ideia de reprocessar o elemento combustível já utilizado vem dessas razões. No entanto, o reprocessamento gera um resíduo o rejeito nuclear de elevada radioatividade que precisa ser armazenado de modo adequado e seguro por centenas de anos. O que vem a ser um armazenamento adequado e seguro por um período tão longo? Países com uma maior produção de energia nuclear têm adotado diferentes soluções tecnológicas, tais como: minas de sal ou cavernas construídas em montanhas rochosas. No caso específico do Brasil, onde não existe e nem está planejada a construção de uma usina de reprocessamento de elemento combustível nuclear, a melhor alternativa é manter os elementos combustíveis queimados armazenados onde eles estão, ou seja, nas piscinas dos prédios dos reatores (Figura 8). Não devemos nos esquecer que o próprio elemento combustível foi projetado para conter, nele mesmo, os produtos de fissão e que o prédio também foi projetado de modo a evitar/minimizar a liberação de elementos radioativos para o meio ambiente. Ademais, quanto mais tempo ele lá permanecer, melhor será, como já discutimos.. 9.

11 Figura 8: Piscina, no interior do prédio do reator, com elementos combustíveis já utilizados. Fonte: Cortesia do Arquivo Eletronuclear Eletrobrás Termonuclear S.A ( Imagem cedida pelo Departamento de Comunicação e Segurança. Então, existe a necessidade atual de depósito de rejeitos radioativos no Brasil? A resposta correta é sim, existe essa necessidade. Por exemplo, em uma central nuclear há produção de rejeitos radioativos de baixa e média atividade, oriundos de materiais que entraram em contato com materiais contaminados, como: colunas contendo resinas trocadoras de íons e filtros empregados no processo de tratamento de efluentes radioativos; luvas contaminadas; etc. Atualmente esse material fica armazenado em galpões externos ao prédio do reator. Além dos rejeitos oriundos das centrais nucleares, há também a necessidade de armazenamento de fontes antigas utilizadas na medicina e na indústria não nuclear. Adicionalmente, existem rejeitos radioativos gerados por uma série de atividades extrativistas: na própria indústria do petróleo; na mineração e metalurgia do estanho; na mineração e beneficiamento do zircônio e do titânio; e na extração de areias monazíticas, dentre outras que fazem parte do que se denomina NORMs ou TENORMs - materiais radioativos de origem natural e materiais radioativos de origem natural e concentrados tecnologicamente. Materiais esses que também necessitam de um armazenamento adequado e seguro.. 10.

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