Microsoft Word - Usinas Nucleares

8/14/2019 Microsoft Word - Usinas Nucleares

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INSTITUTO DE EDUCAO INTEGRADAALBERT EINSTEIN

Usinas Nucleares

Adaptado de Eliezer de Moura Cardoso em parceria com aComisso

Nacional de Energia Nuclear (CNEN), disponvel em www.cnen.gov.br

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Belm-Par


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Estrutura atmica, estabilidade,radioatividade e decaimento

O tomo a unidade fundamentalque compe a matria. O conjunto detomos forma uma molcula. Os tomosso compostos de:

Eletrosfera (eltrons (-))Ncleo (prtons (+) e nutrons (n))

tomos que possuem o mesmonmero de prtons e diferente nmerode nutrons so chamados istopos.O ncleo atmico possui uma especficaconfigurao nuclear de nutrons eprtons (nucldeo). Alguns so

inerentemente estveis e outrosinstveis. A instabilidade nuclearpode resultar de um excesso denutrons ou prtons. Os ncleosinstveis precisam se estabilizar, e paraisso eles emitem partculas, para fora dotomo, em forma de Radiao, por issoso chamados de Radionucldeos. Aessa emisso de partculas chamamosde Decaimento radioativo. Em alguns

tomos este decaimento muito rpido(milissegundos) e em outros bastantedemorado (trilhes de anos).

O decaimento exponencial emrelao ao tempo, ou seja, quanto maioro tempo menor a atividade radioativa dotomo. Por isso toda substnciaradioativa tem uma Meia-vida, que otempo que leva para atividade de umaamostra se reduzir metade.

Quando tomos istopos soinstveis, eles so ditos Radioistopospor emitem radiao para seestabilizarem.Alguns ncleos atmicos podem serradioativos mesmo contendo umnmero estvel de partculas. Istoocorre porque esto em diferentes nveisde energia, fenmeno anlogo scamadas energticas orbitais doseltrons. tomos desta natureza soditos Metaestveis.

Um radioistopo decai, para obterestabilidade e emite radiao em formadas seguintes partculas: (alfa),

(beta) e (gama). Na fsica, Estasradiaes corpusculares recebem onome de ftons.

Radiao alfaUm dos processos de estabilizao

de um ncleo com excesso de energia o da emisso de um grupo de partculas,constitudas por dois prtons e doisnutrons, e da energia a elas associada.A radiao alfa ou partculas alfa, narealidade ncleos de hlio (He), um gschamado nobre, por no reagirquimicamente com os demaiselementos. As partculas possuemcarga +2.

Ilustrao da emisso de partculas alfa

Radiao betaOutra forma de estabilizao,

quando existe no ncleo um excesso denutrons em relao a prtons, atravs da emisso de uma partculanegativa, um eltron, com carga -1,resultante da converso de um nutronem um prton. a partcula betanegativa ou, simplesmente, partculabeta. No caso de existir excesso decargas positivas (prtons), emitidauma partcula beta positiva, chamada

psitron, resultante da converso deum prton em um nutron.

Ilustrao da emisso de partculas beta

Portanto, a radiao beta

constituda de partculas emitidas doncleo, quando da transformao denutrons em prtons (partculas beta)ou de prtons em nutrons (psitrons).


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Radiao gamaGeralmente, aps a emisso de

uma partcula alfa () ou beta (), oncleo resultante desse processo, aindacom excesso de energia, procuraestabilizar-se, emitindo esse excesso emforma de onda eletromagntica, da

mesma natureza da luz, sem cargaeltrica, denominada radiao gama.

Ilustrao da emisso de radiao gama

Fisso nuclearA diviso do ncleo de um tomo

pesado, por exemplo, do urnio-235,em dois menores, quando atingido porum nutron, denominada FissoNuclear. Seria como jogar uma bolinhade vidro (um nutron) contra vriasoutras agrupadas (o ncleo).

Reao em cadeiaNa realidade, em cada reao defisso nuclear resulta, alm dos ncleosmenores, dois a trs nutrons, comoconseqncia da absoro do nutronque causou a fisso. Torna-se, ento,possvel que esses nutrons atinjamoutros ncleos de urnio-235,sucessivamente, liberando muito calor.Tal processo denominado Reao deFisso Nuclear em Cadeia ou,simplesmente, Reao em Cadeia.

Reao nuclear em cadeia

CONTROLE DA REAO DE FISSONUCLEAR EM CADEIA

Descoberta a grande fonte deenergia no ncleo dos tomos e a formade aproveit-la s restava saber comocontrolar a reao em cadeia, que

normalmente no pararia, at consumirquase todo o material fssil (que sofrefisso nuclear), no caso o urnio-235.Como j foi visto, a fisso de cadatomo de urnio-235 resulta em 2tomos menores e 2 a 3 nutrons, queiro fissionar outros tantos ncleos deurnio-235. A forma de controlar areao em cadeia consiste na eliminaodo agente causador da fisso: o

nutron. No havendo nutronsdisponveis, no pode haver reao defisso em cadeia.

Alguns elementos qumicos, como oboro, na forma de cido brico ou demetal, e o cdmio, em barrasmetlicas, tm a propriedade deabsorver nutrons, porque seus ncleospodem conter ainda um nmero denutrons superior ao existente em seu

estado natural, resultando na formaode istopos de boro e de cdmio. Agrande aplicao do controle da reaode fisso nuclear em cadeia nosReatores Nucleares, para gerao deenergia eltrica.

Urnio enriquecidoA quantidade de urnio-235 na

natureza muito pequena: para cada

1.000 tomos de urnio, 7 so deurnio-235 e 993 so de urnio-238 (aquantidade dos demais istopos desprezvel).

Para ser possvel a ocorrncia deuma reao de fisso nuclear em cadeia, necessrio haver quantidade suficientede urnio-235, que fissionado pornutrons de qualquer energia,preferencialmente os de baixa energia,denominados nutrons trmicos(lentos).

Nos Reatores Nucleares do tipoPWR (como os de ANGRA), necessriohaver a proporo de cerca de 32


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escapar o material nelas contido (ournio e os elementos resultantes dafisso) e podem suportar altastemperaturas.

A Vareta de Combustvel aprimeira barreira que serve para impedir

a sada de material radioativo para omeio ambiente.

Vaso de pressoOs Elementos Combustveis so

colocados dentro de um grande vaso deao, com paredes, no caso de Angra I,de cerca de 30 cm e, no caso de AngraII, de 23,5 cm. Esse enorme recipiente,denominado Vaso de Presso do Reator,

montado sobreuma estrutura deconcreto, comcerca de 5 m deespessura na base.

O Vaso dePresso do Reator a segundabarreira fsica que

serve para impedira sada de materialradioativo para oambiente.

A contenoO Vaso de Presso do Reator e o

Gerador de Vapor so instalados emuma grande carcaa de ao, com 3,8cm de espessura em Angra I. Esse

envoltrio, construdo para mantercontidos os gases ou vapores possveisde serem liberados durante a operaodo Reator, denominado Conteno.No caso de Angra I, a Conteno tem aforma de um tubo (cilindro). Em AngraII esfrica.

A Conteno a terceira barreiraque serve para impedir a sada dematerial radioativo para o meioambiente.

Edifcio do reatorUm ltimo envoltrio, de concreto,

revestindo a Conteno, o prprioEdifcio do Reator. Tem cerca de 1 mde espessura em Angra I.


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O Edifcio do Reator, construdo emconcreto e envolvendo a Conteno deao, a quarta barreira fsica que serve para impedir a sada de materialradioativo para o meio ambiente e, almdisso, protege contra impactos externos(queda de avies e exploses).

Circuito primrioO Vaso de Presso contm a gua

de refrigerao do ncleo do reator(os elementos combustveis). Essa guafica circulando quente pelo Gerador deVapor, em circuito fechado, isto , nosai desse Sistema, chamado de CircuitoPrimrio. Angra I tem dois Geradoresde Vapor;Angra IItem quatro.

A gua que circula no CircuitoPrimrio usada para aquecer outracorrente de gua, que passa peloGerador de Vapor.

CIRCUITO SECUNDRIOA outra corrente de gua, que

passa pelo Gerador de Vapor para seraquecida e transformada em vapor,

passa tambm pela turbina, em formade vapor, acionando-a. , a seguir,condensada e bombeada de volta para oGerador de Vapor, constituindo umoutro Sistema de Refrigerao,independente do primeiro. O sistema degerao de vapor chamado de

Circuito Secundrio.

Independncia entre os sistemas derefrigerao

A independncia entre o CircuitoPrimrio e o Circuito Secundrio tem oobjetivo de evitar que, danificando-seuma ou mais varetas, o materialradioativo (urnio e produtos de fisso)passe para o Circuito Secundrio.

interessante mencionar que a prpriagua do Circuito Primrio radioativa.

Sistemas ativos de segurana

As barreiras fsicas citadasconstituem um Sistema Passivo deSegurana, isto , atuamindependentemente de qualquer ao.


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Para a operao do Reator, SistemasAtivos de Segurana so projetadospara atuar, inclusive de formaredundante: na falha de algum deles,outro sistema, no mnimo, atuar,comandando, se for o caso, a parada doReator.

Segurana no projeto de uma usinanuclear

Na fase de projeto, so imaginadosdiversos acidentes que poderiam ocorrerem um Reator Nuclear, assim como aforma de contorn-los, por ao humanaou, em ltima instncia, por intervenoautomtica dos sistemas de segurana,projetados com essa finalidade. So,

ainda, avaliadas as conseqncias emrelao aos equipamentos, estruturainterna do Reator e, principalmente, emrelao ao meio ambiente. Fenmenosda natureza, como tempestades,vendavais e terremotos, e outros fatoresde risco, como queda de avio esabotagem, so tambm levados emconsiderao no dimensionamento e noclculo das estruturas.

Segurana na operao de reatoresnucleares

A complexidade e asparticularidades de uma Usina Nuclearexigem uma preparao adequada dopessoal que ir oper-la. Existe emMambucaba, municpio de Angra dosReis, um Centro de Treinamento paraoperadores de Centrais Nucleares, que

uma reproduo das salas de controlede Reatores do tipo de Angra I e II,capaz de simular todas as operaesdessa usinas, inclusive a atuao dossistemas de segurana. Para se ter umaidia do padro dos servios prestadospor esse Centro, conhecido comoSimulador deve-se ressaltar que neleforam e ainda so treinados operadorespara Reatores da Espanha, Argentina eda prpria Repblica Federal daAlemanha, responsvel pelo projeto emontagem do Centro. Os instrutores sotodos brasileiros que, periodicamente,fazem estgios em Reatores alemes,

para atualizao de conhecimentos eintroduo de novas experincias noscursos ministrados.

Reator nuclear e bomba atmicaA bomba (atmica) feita para

ser possvel explodir, ou seja, a reao

em cadeia deve ser rpida e aquantidade de urnio, muitoconcentrado em urnio-235 (quer dizer,urnio enriquecido acima de 90%) deveser suficiente para a ocorrncia rpidada reao. Alm disso, toda a massa deurnio deve ficar junta, caso contrriono ocorrer a reao em cadeia deforma explosiva.

Um Reator Nuclear, para gerar

energia eltrica, construdo de forma aser impossvel explodir como umabomba atmica. Primeiro, porque aconcentrao de urnio-235 muitobaixa (cerca de 3,2%), no permitindoque a reao em cadeia se processecom rapidez suficiente para setransformar em exploso. Segundo,porque dentro do Reator Nuclearexistem materiais absorvedores de

nutrons, que controlam e at acabamcom a reao em cadeia, como, porexemplo, na parada do Reator.

ACIDENTE NUCLEAR

Um acidente considerado nuclear,quando envolve uma reao nuclear ouequipamento onde se processe umareao nuclear. Um acidente com uma

fonte radioativa, como o do csio-137, um acidente radioativo. Duzentos equarenta e dois reatores nucleares dotipo Angra (PWR) j foram construdos eesto em operao, ocorrendo em umdeles, um acidente nuclear grave, semconseqncias para os trabalhadores e omeio ambiente. Foi o acidente de ThreeMiles Island (TMI), nos EstadosUnidos.


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Acidente nuclear em three milesisland

Nesse acidente, vazaram gua evapor do Circuito Primrio, mas ambosficaram retidos na Conteno. Com aperda da gua que fazia a refrigeraodos elementos combustveis, estes

esquentaram demais e fundiramparcialmente, mas permaneceramconfinados no Vaso de Presso doReator.

Houve evacuao parcial(constatada e posteriormente,desnecessria) da Cidade. O Governadorrecomendou a sada de mulheres ecrianas, que retornaram s suas casasno dia seguinte. Ao contrrio do

esperado, muitas pessoas quiseram irver o acidente de perto, sendocontidas por tropas militares e pelapolcia.

Embora o Reator Angra I seja domesmo tipo do de TMI, ele no corremais o risco de sofrer um acidentesemelhante, porque j foram tomadasas medidas preventivas que impedem arepetio das falhas humanas

causadoras daquele acidente. O mesmoacidente no poderia ocorrer em AngraII, porque o projeto j prev essasfalhas e os meios de evitar que elasaconteam.

A figura mostra como ficou o Vaso de Presso de

Three Miles Island aps o acidente, podendo-senotar os elementos combustveis e as barras decontrole fundido e que o Vaso no sofreu danos.

O reator nuclear de chernobylO Reator de Chernobyl de um tipo

diferente dos de Angra. A maiordiferena devida ao fato de que esseReator tem grafite no ncleo e nopossui Conteno de ao. O combustvel o urnio-235 e o controle da reao de

fisso nuclear em cadeia feita damesma forma: por meio de barras decontrole absorvedoras de nutrons. Asvaretas de combustvel so colocadasdentro de blocos de grafite (que pegafogo, quando aquecido), por ondepassam os tubos da gua derefrigerao, que vai produzir o vaporpara acionar a turbina. A gua passaentre as varetas de combustvel, onde

gerado o vapor, no havendonecessidade de um gerador de vaporcom essa finalidade, como em Angra I.

As dimenses do Vaso do Reatorso muito maiores, por causa damontagem dos blocos de grafite, e issotorna impraticvel a construo de umaconteno de ao, como em Angra. OReator de Chernobyl no temConteno de ao.

Como o Vaso bem maior, oEdifcio do Reator tambm bem maiore funciona como conteno nica, masno lacrado. A parte superior ocompartimento do Vaso do Reator uma enorme tampa de concreto, de1.000 toneladas, que pode serdeslocada. Apesar de operacionalmenteseguro, esse Reator permite que oSistema de Segurana Automtico,

isto , o desligamento automtico,possa ser bloqueado e o Reator passa aser operado manualmente, nodesligando automaticamente, em casode perigo ou de falhahumana.


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At aqui, j deu para se notar adiferena, em termos de SeguranaAtiva e Barreiras Passivas, entre oReator do tipo Chernobyl e o Reator dotipo Angra.

O acidente de Chernobyl

O Reator estava em procedimentode parada (desligamento) paramanuteno peridica anual. O Setor deEngenharia Eltrica da Central queriafazer testes, na parte eltrica, com oReator quase parando, isto ,funcionando a pequena potncia. Parafazer esses testes, era preciso desligar oSistema Automtico de Segurana, casocontrrio o Reator pararia

automaticamente para qualquermudana que levasse a uma situaocrtica de perigo.

Os engenheiros eletricistas queconduziam os testes na turbina notinham controle sobre a operao doReator. Os operadores da Sala deControle do Reator perderam o controleda operao, em face das experinciasque estavam sendo conduzidas pelos

engenheiros eletricistas.A temperatura aumentourapidamente e no houve gua derefrigerao suficiente para resfriar oselementos combustveis. A gua quecirculava nos tubos foi total erapidamente transformada em vapor, deforma explosiva. Houve, portanto, umaexploso de vapor, que arrebentouos tubos, os elementos combustveis e

os blocos de grafite. A exploso foi toviolenta que deslocou a tampa deconcreto e destruiu o teto do prdio,que no foi previsto para agentar talimpacto, deixando o Reator abertopara o meio ambiente.

Como o grafite aquecido entra emcombusto espontnea, seguiu-se umgrande incndio, arremessando parafora grande parte do material radioativoque estava nos elementos combustveis,danificados na exploso de vapor.

Comparao com os reatores pwr deangra

Em resumo, ABSOLUTAMENTEIMPOSSVEL ocorrer um acidentedessa natureza em Reatores do tipoPWR (Angra), pois:

Sistema Automtico de Segurana nopode ser bloqueado para permitir arealizao de testes.

Os Reatores PWR no usam grafite.

Reator PWR, por ser de menortamanho, permite a construo daConteno de Ao.

O Vaso de Presso do Reator PWR muito mais robusto.

Edifcio do Reator (ou Conteno deConcreto) uma estrutura de seguranae no simplesmente um prdio industrialconvencional, como o de Chernobyl.

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