Campus Experimental de Sorocaba Recursos Energéticos e Meio Ambiente Professor Sandro Donnini Mancini 18 - Energia Nuclear Sorocaba, Maio de 2015. ÁTOMO Eletrosfera Energia Elétrica Núcleo Energia Nuclear A Energia Nuclear é baseada no fato de que núcleos pesados (U, Th, Ba) não conseguem manter-se estáveis e tem decaimento espontâneo. http://vemqueteexplico.blogspot.com.br/2013/01/numero-atomico-enumero-de-massa.html Massa Atômica http://www.mundoeducacao.com/quimica/difere nca-entre-numero-massa-massa-atomica.htm 1
O decaimento pode se dar de três formas: α - perda de um núcleo de hélio (2 p + 2 n) β - perda de elétrons γ - radiação eletromagnética Radioatividade radiações Emissão de raios α e β pressupõe alteração de massa, podendo ser formado outro elemento. Hinrichs, R.A. e Kleinbach, M. Energia e Meio Ambiente. Trad. F.M. Vichi e L.F.Mello. São Paulo, Ed. Thomson, 2003 Hinrichs, R.A. e Kleinbach, M. Energia e Meio Ambiente. Trad. F.M. Vichi e L.F.Mello. São Paulo, Ed. Thomson, 2003 Quaisquer radiações têm energia. Luz visível e ondas de rádio inclusive A maioria tem pouca energia, causando poucos danos Calor (sem rompimento de tecidos ou início de reações bioquímicas) Raios α, β e γ têm alta energia porém, como qualquer radiação, o alcance é limitado. 2
Hinrichs, R.A. e Kleinbach, M. Energia e Meio Ambiente. Trad. F.M. Vichi e L.F.Mello. São Paulo, Ed. Thomson, 2003 1 rad = 10-5 J absorvidos / g de tecido atingido 1 rem = 1 rad (para raios β e γ) ~15 rads (para raios α) Dose Letal média em humanos (para provocar morte em 1 mês) DL 50 ~ 500 rads Tecidos humanos mais sensíveis à radioatividade: Parede do intestino, Baço, Gônadas e Medula Óssea Meia-Vida Física (T 1/2 f) Tempo que uma substância radioativa leva para sofrer metade da desintegração possível Meia-Vida Biológica (T 1/2 f) Tempo para que metade da radioatividade absorvida por uma pessoa seja eliminada Isótopo Átomo semelhante ao mais abundante, com o mesmo número de prótons e diferentes números de nêutrons. Hinrichs, R.A. e Kleinbach, M. Energia e Meio Ambiente. Trad. F.M. Vichi e L.F.Mello. São Paulo, Ed. Thomson, 2003 3
Fellenberg, G. Introdução aos Problemas da Poluição Ambiental. São Paulo, Editora da USP, 1980, 195p. Usos da Radioatividade: Bélicos; Medicina Nuclear; Desinfecção de águas e alimentos; Energia Nuclear. Fontes de radioatividade para seres vivos (junto com a radioatividade natural) Radônio Raios Cósmicos Radiação Terrestre (pela presença de radioativos além do Rn) Somadas à artificiais recebidas de alimentos (fertilizantes contém P e K), raios X, medicina nuclear, testes nucleares, ciclo do combustível (próximo a usinas, etc.), TV, rádio, ocupacionais etc. 4
Hinrichs, R.A. e Kleinbach, M. Energia e Meio Ambiente. Trad. F.M. Vichi e L.F.Mello. São Paulo, Ed. Thomson, 2003 56% da radiação = derivados do Rn gás com T 1/2 f de 3,8 dias 238 U 234 Th 234 Pa 230 Th 226 Ra 222 Rn 222 Rn 218 Po 214 Pb 214 Bi 210 Ta 210 Pb 210 Bi 206 Pb http://www.ifm.liu.se/courses/tfyy50/decayseries.pdf 5
http://www.ccnr.org/radon_chart.html Efeitos Fisiológicos de radiações de elevada energia Multiplicação celular descontrolada (câncer); Destruições de proteínas enzimáticas e estruturais vitais; Mutações genéticas (hereditárias), a vitalidade do indivíduo MEDICINA NUCLEAR 1) Diagnósticos Utiliza radiofármacos como traçadores, emissores de raios γ Normalmente 99 Tc, 131 I, 67 Ga ossos, miocárdio, tireóide e pulmões 2) Tratamento radioterapia Bombardeio externo (teleterapia) ou interno (braquiterapia) de tumores Raios X de alta energia, Raios γ ( 60 Co) Próstata ( 125 I, 103 Pd), Mama ( 192 Ir) 6
Usinas Nucleares Fissão nuclear: combustível bastões de U e/ou Pu Reatores (termoeletricidade vapor gerado gira turbina) Mais comum com 235 U (0,7% do urânio natural). Ocorre a partir da captura de um nêutron. Uma das reações mais comuns é: n + 235 U 236 U 91 Kr + 142 Ba + 3n Reação Auto-sustentável:pelo menos 1 nêutron reage com 235 U. Reação em cadeia: os outros dois nêutrons também reagem. Interrupção: Cd ou B (em barras), capturam nêutrons: Elementos de Controle Outras reações geram produtos indesejáveis como: Pu, Am e Cs. Combustível possui 97-98% 238 U e 2-3% de 235 U Elemento combustível: pastilhas de cerca de 1cm de diâmetro e espessura colocadas em tubos de zircônio justos com ~ 4m Reatores BWR = Boiling Water Reactor Reator de água fervente, feito de aço espesso Barreira aço e concreto (até 1,80m de espessura) em volta do reator. Prédio hermético envolvendo a primeira barreira. PWR = Pressurized Water Reactor Reator de água pressurizada - Angra Angra = 3cm de aço e 70cm de concreto 7
Hinrichs, R.A. e Kleinbach, M. Energia e Meio Ambiente. Trad. F.M. Vichi e L.F.Mello. São Paulo, Ed. Thomson, 2003 Angra 400 pastilhas contendo 3% de 235 U (cilindro de 1cm de diâmetro e 1cm de altura) preenchem um tubo de zircaloy. 235 dessas varetas e 21 tubos-guia contendo barras de controle formam um elemento combustível (feixe). Hinrichs, R.A. e Kleinbach, M. Energia e Meio Ambiente. Trad. F.M. Vichi e L.F.Mello. São Paulo, Ed. Thomson, 2003 8
Ciclo do Combustível Nuclear Hinrichs, R.A. e Kleinbach, M. Energia e Meio Ambiente. Trad. F.M. Vichi e L.F.Mello. São Paulo, Ed. Thomson, 2003 Ciclo do Combustível Nuclear no Brasil 9
1 ª Etapa - Mineração (a céu aberto ou no subsolo) de rochas que contenham U 3 O 8 http://www.inb.gov.br/pt-br/webforms/interna2.aspx?secao_id=48 Caldas reservas já não são mais viáveis tecnicamente Ceará U 3 O 8 em rochas fosfatadas (11% de P 2 O 5 e 998ppm de U 3 O 8 ) Lagoa Real / Caetité mineração e beneficiamento do minério quantidade é suficiente para abastecer Angra I, II e III por 100 anos Reservas Mundiais Produção Mundial http://www.inb.gov.br/pt-br/webforms/interna2.aspx?secao_id=49 10
2 ª Etapa Beneficiamento do Minério para produção do bolo amarelo INB (Indústria Nucleares do Brasil) Caetité Capacidade de 400 t de concentrados de urânio / ano Em 2006 a produção foi de 230 t e o Brasil importou mais 196 t. Processo: Britagem + lixiviação com H 2 SO 4 Fonte: www.inb.gov.br Extração do U 3 O 8 por solventes orgânicos e posterior precipitação. Finalizando: secagem acondicionamento Bolo Amarelo (mínimo de 65% de U 3 O 8 ) 3ª Etapa Conversão do Bolo Amarelo em UF 6 Bolo amarelo é enviado ao exterior. Urânio é dissolvido e purificado, obtendo-se o urânio em nível nuclear. O tratamento deste com HF gera o UF 6. Fonte: www.inb.gov.br 11
4ª Etapa Enriquecimento do UF 6 também no exterior O urânio natural contém apenas 0,7% de 235 U, que é físsil. O restante, 99,7% é 238 U. A idéia do enriquecimento é obter até 3% de 235 U em meio a 238 U. Técnica usada difusão gasosa O UF 6 na forma de gás é forçado contra barreiras porosas ( massa, velocidade). Demanda 10% da energia produzida com a fissão. Aramar desenvolveu método de ultracentrifugação do gás UF 6 dentro de tubos. Por este método, o 238 U tende a migrar para as paredes dos tubos e o 235 U no centro, ou seja, nesta região, o percentual de 235 U é maior. Este gás enriquecido em 235 U é succionado para uma outra centrífuga, onde o processo se repete e o percentual de 235 U aumenta mais um pouco. Após a passagem por uma cascata de centrífugas, o percentual desejado foi atingido. 5ª Etapa Reconversão: de UF 6 a UO 2 O UF 6 enriquecido será aquecido a 100 o C para tornar-se gás e ser misturado com CO 2 e NH 3 num tanque com água. Forma-se então o TCAU (tricarbonato de amônio e uranila) sólido amarelo insolúvel em água: precipita. Por filtração rotativa à vácuo obtém-se o pó de TCAU que é posteriormente seco e direcionado a um forno de leito fluidizado a 600 o C onde reagem com H 2 e vapor d água, formando UO 2 em pó depois estabilizado com N 2 e ar. Em homogeinizadores (caixas giratórias) o UO 2 é misturado com o U 3 O 8, também em pó. Essa mistura é prensada na forma de pastilhas e sinterizada a 1750 o C. Fonte: www.inb.gov.br Fonte: www.inb.gov.br 12
5ª Etapa Reconversão: de UF 6 a UO 2 (fotos) Fábrica de Combustíveis Nucleares INB Resende-RJ Capacidade - 160 t/ano de pó de UO 2 120 t/ano de pastilhas Pastilhas prontas para serem colocadas nas varetas Pó de UO 2 Fonte: www.inb.gov.br 6ª Etapa Montagem do Elemento Combustível INB - Resende-RJ 13
Ciclo do Combustível Nuclear no Brasil ATLAS de Energia Elétrica do Brasil. Agência Nacional de Elétrica do Brasil. 1 a Edição. Brasília, 2003. Disponível em http://www.aneel.gov.br. Acesso em 23 jan 2004. ELETRONUCLEAR Duas usinas termonucleares em Angra dos Reis-RJ, na Praia de Itaorna. Vantagens do local: proximidade com centros consumidores e portos e bom lugar para captação e despejo de água de resfriamento. Central Nuclear Almirante Álvaro Alberto CNAAA Angra I 657 MW Início da construção: 1972 Início da operação comercial: 1985 Angra II 1350 MW Início da construção: 1976 Início da operação comercial: 2001 Maior gerador elétrico do hemisfério sul 50% da capacidade instalada de geração de eletricidade do RJ 47% da geração de eletricidade do RJ 14
Angra II Angra I Produção: Em 2009 2,5% da eletricidade consumida no Brasil 1,4% da energia consumida no Brasil 15
Angra 3 espelho de Angra 2 custo R$ 7 bilhões Reator PWR Fabricante alemã GHH gmbh; Potência: 3765 MWt e 1350 MWe (eficiência térmica de 40%); Vida útil: 40 anos; Água é aquecida a 320oC e mantém-se líquida por 150 atm; Energia gerada em 60Hz e 25kV, transformada para 500 kv; Atualmente há 3 linhões 2 para o RJ e 1 para SP; Com Angra 3 haverá um quarto, também para o RJ; Queima de diesel para Caldeira Auxiliar e de dois geradores de emergência não serão operados continuamente; Captação de 60 m3/s de água do mar para refrigeração do circuito secundário; Despejo de 60m3/s de água 3-6oC mais quente que o rio no rio Piraquara de Fora. 16
Rejeitos Radioativos Tratamento esperar o decaimento (normalmente dez meias vidas). Rejeitos Sólidos o grande problema (2.000 t/ano nos EUA) Um ano de funcionamento de usina de 1MWe - 2 m 3 de lixo nuclear ~4% do combustível exaurido contém elementos indesejáveis como Pu, Am e Cs. Disposição deve ser muito segura, pois tem que durar milênios. Decaimento gera calor (pode facilitar entrada de líquidos) O que fazer? Encapsulamento do combustível sem serventia em vidro e/ou concreto, colocação em tambores de aço e depositados em geleiras, minas de sal abandonadas e no fundo dos oceanos (~6.000m). Decaimento inicial dos rejeitos do reator piscina - resfriamento Encapsulamento em concreto e estocagem rejeitos de baixo potencial radiativo (roupas, luvas...) Rejeitos de alto potencial radioativo (combustível exaurido) de Angra estão dentro da conteção (prédio do reator) 17
Poluição do solo em atividades de beneficiamento do minério disposição do resíduo sólido Poluição da Água * Água do reator (com trítio, do bombardeio do LiOH contido na água), quando necessita ser trocada. Adiciona-se LiOH para controlar o ph da água, pois coloca-se ácido bórico como moderador. Piscinas revestidas onde aguarda-se decaimento Injeção em poços de petróleo secos * Água de resfriamento descarte em corpos d água http://www.oecd-nea.org/pub/techroadmap/techroadmap-2015.pdf 18
Energia Nuclear no mundo : 5,7% da energia mundial em 2010 4,8% da energia mundial em 2012 12,9% da eletricidade mundial em 2010 10,9% da eletricidade mundial em 2012 Energia Nuclear no Brasil : 1,5% da energia brasileira em 2012 1,3% da energia brasileira em 2013 2,7% da eletricidade brasileira em 2012 2,4% da eletricidade brasileira em 2013 1,4% da capacidade instalada de geração de eletricidade no Brasil em 2013 Custo é um dos grandes empecilhos para o crescimento U$ 3.000-6.000 /kw http://www.euronuclear.org/info/encyclopedia/n/nuclear-power-plant-worldwide.htm 2008 2013 2014 2015 (1º de junho) Reatores em operação 442 437 435 438 2015 379 GW instalados + 67 GW em construção (69 usinas) 19
Combustível Unidade Poder Calorífico Médio (kcal/unidade) Petróleo kg 10.800 Carvão kg 3.100-6.000 Lenha kg 3.300 Bagaço de Cana kg 2.250 Gás Natural kg 15.900 (1 m 3 10.000 kcal) Etanol Anidro kg 8.970 (1L 7.090 kcal) Etanol Hidratado kg 8.210 (1L 6.650) Gasolina kg 10.000 (1L 7.500) Diesel kg 12.650 (1L 10.750) Biodiesel kg 10.230 (1L 9.000) Urânio kg 1,57x10 8 Plutônio kg 1,87x10 10 Densidades utilizadas: ρ diesel = 0,85 kg/l ; ρ biodiesel = 0,88 kg/l ; ρ gasolina = 0,75 kg/l ρ álcool hidratadp = 0,81 kg/l ; ρ álcool anidro = 0,79 kg/l ; ρ GNV = 0,63 kg/m 3 TESTES NUCLEARES, BOMBAS E ACIDENTES EM USINAS: Quantidades grandes de radiação em área pequena. Three Mile Island (EUA) 1979 fusão parcial do reator Chernobyl (Ucrânia) 1986 explosão de um reator Goiânia, 13/11/1987 resíduo sólido de radioterapia 4 pessoas morreram, 1200 contaminadas Fukushima (Japão) 2011 Tsunami após terremoto faz complexo nuclear com seis reatores entrar em pane. Liberou de 10 a 20% da radiação liberada por Chernobyl. 20
http://www.oecd-nea.org/pub/techroadmap/techroadmap-2015.pdf Após acidente, Alemanha, Bélgica e Suíça anunciaram o fechamento programado das usinas nucleares (em 2022, 2025 e 2035, respectivamente). Bombas Nucleares: Fissão Hiroshima: 235 Urânio; Nagasaki: 239 Plutônio Bombas H (detonadas em 1952 e 1954 no Oceano Pacífico) Baseada na fusão. T altas são obtidas por uma bomba de fissão acoplada. 600 vezes mais poderosa que as de Hiroshima e Nagasaki. 21
Após 0,001 s emite grandes quantidades de raios-x e UV Após 2 s onda de impacto com 1,5 km de diâmetro juntamente com onda térmica que se propaga, carbonizando a matéria orgânica. Após 6s onda atinge o solo, provocando ventos fortíssimos que derrubam estruturas metálicas que resistiram ao calor. Após 13 s esfera começa a se contrair, os ventos se invertem, há a rarefação do ar, com o início da formação do cogumelo atômico, destruindo, no raio de alcance, o que sobrar. Após 30 s cogumelo completo e ao começa o problema para os sobreviventes, inclusive de regiões distantes da detonação: começa a precipitar partículas radioativas A rosa de Hiroxima - Vinícius de Moraes Pensem nas crianças Mudas telepáticas Pensem nas meninas Cegas inexatas Pensem nas mulheres Rotas alteradas Pensem nas feridas Como rosas cálidas Mas oh não se esqueçam Da rosa da rosa Da rosa de Hiroxima A rosa hereditária A rosa radioativa Estúpida e inválida A rosa com cirrose A anti-rosa atômica Sem cor sem perfume Sem rosa sem nada. 22