Seminario energia nuclear_p_gmat_rev05

Prof. Orestes Alarcon

Universidade Federal de Santa CatarinaDepartamento de Engenharia mecânica e MateriaisPós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais

Seminário sobre

Energia Nuclear

Alunos: Cristiano Vicente eGustavo George Verdieri Nuernberg

1. Contextualização2. Funcionamento de uma usina nuclear;3. Custos da produção;4. Ciclo do material;5. Riscos ambientais e à saúde humana;6. Incidentes Nucleares;7. Comparações com outros métodos de

produção de energia elétrica.

Tópicos a serem abordados

a. Descoberta da Fissão nuclear;b. Descoberta da Energia nuclear;c. Emprego da Energia nuclear;

1. Contextualização

2. Funcionamento de uma usina nuclear

a. O combustível nuclear;b. O reator;c. Os circuitos de refrigeração;

3. Custos da produção

a. Custos da montagem de uma usina nuclear;b. Custos do combustível;c. Custos do armazenamento do resíduo

nuclear;

4. Ciclo do material

a. Ciclo de produção do urânio enriquecido e empobrecido;

b. Aplicações;c. Recuperação e tratamento dos resíduos;d. Emprego de outros materiais;

5. Riscos ambientais e à saúde humana

a. Toxicidade;b. Risco ao meio ambiente;c. Riscos à saúde humana;d. Métodos de prevenção dos riscos;

6. Incidentes nucleares

a. Histórico de incidentes;b. Causas dos principais acidentes;c. Perdas humanas (diretas e indiretas);d. Danos ao meio ambiente;e. Comparativo com outros processos de

geração de energia elétrica;

7. Comparações com outros métodos de produção de energia elétrica

a. Parâmetros a serem avaliados;b. O que o “mundo fala” sobre tais comparativos;c. Conclusão;


• Descoberta por Otto Hahn e Fritz Straßmann, Berlim 1938, explicada por Lise Meitner e Otto Frisch (na Suíça) após a irradiação de urânio com nêutrons;

• Primeira reação em cadeia dezembro de 1942 em um reator de grafite de nome Chicago Pile 1 (CP-1), projeto Manhattam (bomba atômica), supervisão de Enrico Fermi na Universidade de Chicago (Laboratório Metalúrgico);

Descoberta da Fissão Nuclear


• Quebra do núcleo do átomo instável em dois menores e mais leves;

• Alguns átomos com núcleos instáveis, estão em constante desintegração nuclear, propicia a liberação das radiações α, β e γ;

• O nêutron com carga elétrica nula, choca no núcleo positivo, geralmente U-235 número de massa A= 235, sendo instável.

• Divide em dois núcleos menores e mais leves, Ba-144 e Kr-89.

• Liberação de energia (ligação nuclear), radiação gama e mais nêutrons, encontra novos núcleos atômicos, desintegrando-os novamente em energia, radiação e outros.

Princípio: Fissão nuclear


O Processo de decaimento do Urânio


• Símbolo: U;• A=298 (estável);• Mais abundante que Ag;• 1789 Martin Klaproth, primeiro relatar a

radioatividade;• Meia vida longa (700 milhões de anos para o

urânio-235);• Reservas mundiais 5,4 milhões de toneladas em

2009,31% esta na Austrália, 12% no Cazaquistão, 9% no Canadá e 9% na Rússia;

• 1972 Francis Perrin, reator de urânio natural não esta ativo,100 mil anos potência 100 Kw.

• Henri Becquerel radioatividade urânio em 1896 sal de urânio, K2 UO2 (SO4 )2 , sobre chapa fotográfica não exposta e observando placa havia se tornado "enevoada”.

• Produção Yellowcake”

Urânio


• Urânio teor U235 aumentado, por processo de separação de isótopos;

• O urânio natureza, (UO2), contém 99,284%

do isótopo U238 ; apenas 0,71% do isótopo U235. Porém U235 é o único isótopo existente físsil na natureza;

• Reatores ,proporção do 235U dos 0,71% para 2% e 5%.

• Brasil é o maior produtor de urânio , extraído tritura-se e dissolvendo em ácido sulfúrico"yellow cake".

• Converte-se o urânio em UF6 para seu

enriquecimento no isótopo 235, antes de reconvertê-lo em óxido de urânio, ou pula-se essa etapa, passando para o quarto passo, como no caso do combustível Candu.

Enriquecimento do Urânio


A reação de Einstein


Primeira usina nuclear

A primeira usina nuclear foi produzida na Rússia, em 1951 e entrou em operação em 1954.

Com capacidade instalada de 6 MW, operou por 48 anos até 2002.

Chamava-se "Атом Мирный» (Átomo Pacífico).

2. Funcionamento de uma Usina Nuclear

Combustível nuclear


Combustível nuclear

• Dióxido de urânio (UO2)• Cerâmica sólida e negra, baixa condutividade térmica, elevada temperatura

na zona central das pastilhas combustíveis reator nuclear. Porosidade do material e do grau de queima que possui o combustível

• Fissão gera outros isótopos, (lantanídeos), precipitam paládio, e formam bolhas que como o xenônio ou o kriptônio.

• Radiações, movimento de recuo dos fragmentos da fissão durante a reação, e pelas tensões de origem térmica.

• O dióxido de urânio obtido por nitrato de urânio base de amônio, formação de uranato de amônio, aquecido para formação de U3O8 que, convertido sob aquecimento com argônio / hidrogênio a (700 graus Celsius) para formação de UO2.

• O UO2 misturado ligante orgânico e comprimido em pastilhas (pellets), queimados temperatura muito mais alta (em atmosfera de H2/Ar), obter um sólido baixa porosidade.


Reator nuclear

• Combustível: Urânio-235, Urânio-238, Plutônio-239, Tório-232, ou misturas (MOX, mistura de óxidos de urânio e plutônio).

• Moderador: água leve, água pesada, hélio, grafite, sódio metálico: função de reduzir a velocidade dos nêutrons na fissão, mantendo a reação.

• Refrigerador: água leve, água pesada, dióxido de carbono, hélio, sódio metálico conduzem o calor produzido durante o processo até a turbina geradora de eletricidade

• Refletor (água leve, água pesada, grafite, urânio): reduz o escapamento de nêutrons aumentando a eficiência do reator.

• Blindagem (concreto, chumbo, aço, água leve): escapamento de radiação gama e nêutrons.

• Material de controle (cádmio ou boro): finaliza a reação em cadeia, ótimos absorventes de nêutrons. Usados na forma de barras (de aço borado, por exemplo) ou bem dissolvidos no refrigerador.

• Elementos de Segurança: sistemas de segurança ativos (que respondem a sinais elétricos) e passivos (que atuam de forma natural como a gravidade, por exemplo).


Maquete de uma Usina Nuclear


Maquete de uma Usina Nuclear

No reator é onde ocorre a fissão nuclear controlada, a qual pode ser interrompida a qualquer momento, por meio das varetas de controle.

Há 3 sistemas distintos de refrigeração, garantindo que não haja nenhum contato do ambiente em que há irradiação com o meio externo.

3. Custos de produção

Custo para construção de uma Usina

• A energia nuclear é uma das mais eficientes• Custo elevado (sistemas de emergência, contenção, resíduo radioativo armazenamento). Produção do combustível (urânio) grande importância. • Etapas:1) Mineração;2) Conversão do yellowcake; 3) Enriquecimento Isotópico;5) Fabricação de Elementos Combustíveis;6) Construção inicial da planta e suas modificações; 7) Sistemas de segurança, redundantes (equipamentos em duplicata pronta para ser acionada a qualquer momento em acidente); 8) Tratamento dos resíduos;9) Custos de sua desativação.



Angra 1: 657 MW Custo R$ 1,6 bilhões

Angra 2: 1350 MWCusto R$ 10,4 bilhões

Angra 3: 1405 MWCusto R$ 10,0 bilhões

Itaipu Binacional: (14000 MW) 16,4%Custo R$ 17 bilhões



…Mas é necessário padronizar este cálculo:

Usina Custo Potência instalada

Custo por kW/h

Angra 1 R$ 1,6 bi 657 MW R$ 2500

Angra 2 R$ 10 bi 1350 MW R$ 7400

Angra 3 R$ 10 bi 1405 MW R$ 7100

Itaipu R$ 29 bi 12000 MW R$ 2400

Belo Monte R$ 19 bi 10000 MW R$ 1900

? Nuclear Rússia

R$ 700 mi 70 MW R$ 1000


A solução?

Usina nuclear flutuante (FNPP) ao custo de US$ 400 milhões. A Rússia pretende concluir a construção de 7 destas até 2015.


Custo para produção do combustível

• Descoberta da jazida, avaliação econômica (prospecção e pesquisa),• Mineração e beneficiamento. • Brasil, Unidade de Lagoa Real (BA) Indústrias Nucleares do Brasil (INB), 300 ton/ano de concentrado de urânio. O teor e a dimensão reservas suprimento de Angra 1, 2 e 3 por 100 anos. • Combustível representa apenas cerca da quarta parte dos custos totais de geração. custos de geração de energia elétrica nuclear pouco influenciados pelos aumentos do preço do combustível.


Produção da matéria prima

Extração na usina de Caetité-BA

Conversão em Yellow-Cake

Reconversão realizada pela URENCOEnriquecimento realizado pela INB

Produção das varetas de combustível



Custo médio para produção da energia elétrica proveniente de uma usina nuclear gira em torno de R$ 45 por MW/h.

Já para uma usina hidroelétrica, o custo para produção gira em torno de R$ 35 por MW/h.

Não foram localizadas informações claras sobre o custo para a produção do combustível nuclear.

A EDF estima que o custo completo nuclear francês, da construção ao desmantelamento das centrais, é de 46 euros o MW/hora. Quarenta e oito por cento a mais que o preço pago atualmente pelo consumidor (30,9 euros o MV/h), segundo cálculo da Comissão de Regulação da Energia.


Agência Internacional de Energia Atômica estima que anualmente são produzidos cerca de 30 t de rejeitos de alta radioatividade e 300 m3 de rejeitos de baixo e médio teor radioativo.

Indústria de energia nuclear gera anualmente 10 mil m3 de material de alta radioatividade e 200 mil m3 de baixa e média radioatividade.

Armazenado temporariamente, nas usinas, mergulhado em tanques de resfriamento ou em contêineres especiais de metal ou concreto.

442 reatores geram 375 GW em 30 países. Canadá U$ 24 bilhões.

Custos de armazenamento do resíduo


Custo “Elemento-surpresa"

O artigo aponta que o custo final da produção de energia elétrica a partir de uma usina nuclear pode ser de até 10 vezes o custo orçado inicialmente.


Reservas de Urânio no mundo

A INB estima que haja, aproximadamente, cerca de 300 mil toneladas de Urânio ainda não mapeadas no território brasileiro.


O ciclo do combustívelExistem duas estratégias de gerenciamento deste material sendo implementadas no mundo.A primeira é o reprocessamento ou armazenagem para futuro reprocessamento, de forma a extrair o combustível ainda existente no material irradiado (Urânio e Plutônio) para produzir o MOX (óxido misto de Urânio e Plutônio) que será usado como combustível em usinas preparadas para este combustível. Cerca de 33% da descarga mundial tem sido reprocessada.

Na segunda estratégia o combustível usado é considerado rejeito e é armazenado preliminarmente até a sua disposição final. A experiência de 50 anos no manuseio deste material se mostrou segura e eficiente em ambas as tecnologias até agora empregadas Wet and Dry tecnologies.


Toxicidade


Toxicidade

A toxicidade baseia-se na radiação emitida pelas substâncias envolvidas na reação nuclear. Assim, tanto o material utilizado, quanto todo entorno serão fonte de radioatividade e, portanto, tóxicos.A descobridora da radiação ionizante,

Marie Curie, sofreu envenenamento radioativo, em 1898, por manipular materiais radioativos levando a inflamação nas pontas dos dedos e no final da vida ela sofreu e morreu de leucemia.


Toxicidade

Ninguém diz que convivemos com a radiação o tempo todo. Na verdade, ela é tão parte do nosso dia-a-dia que nem sabemos que lidamos com ela. Dentro do nosso corpo, existem substâncias radiativas. Um exemplo é o Potássio, que é bem radiativo.

Quando bebemos um copo de água mineral, nem nos preocupamos em ler o rótulo da garrafa, que informa pra quem quiser ler a informação “Radioatividade na fonte”

Quando vamos à praia, ou fazemos uma caminhada durante o dia, somos bombardeados pela maior fonte de radiação conhecida pelo homem: o sol.

No hospital, vamos tirar uma radiografia, somos alvo de uma fonte de radiação bem perigosa: o Raio-X.


Toxicidade

As agências de controle internacionais fixam um limite de dose que um trabalhador pode tomar.

Se respeitado, esse limite impede que os trabalhadores possam vir à desenvolver problemas de saúde no futuro. A CNEN (Comissão Nacional de Energia Nuclear) definiu um limite ainda mais rigoroso à ser aplicado no Brasil, e que deve ser seguido por todos que trabalham com material radiológico, desde operadores de Raio-X até os trabalhadores da usina nuclear.

A Eletronuclear pegou o limite da CNEN, e impôs a METADE desse limite como o máximo permitido para seus trabalhadores. Assim, podemos trabalhar com uma imensa margem de segurança, que garante nossa saúde.


Acidentes graves

http://maps.google.com/maps?hl=en&t=k&ll=51.28444718588585,30.213518142700195&z=17


Acidentes graves

1957 (Liverpool, UK) – Escapa radioatividade de uma usina nuclear. Saldo: 30 mortos.

1957 (Tcheliabinski, RU) – Vazamento de radioatividade em usina. Saldo: 270 mil contaminados. Não há registros sobre as consequências desta contaminação.

1957 (Mayak, RU) – Em dezembro de 1957, o superaquecimento de um tanque para resíduos nucleares causa uma explosão que libera compostos radioativos numa área de 23 mil km². Mais de 30 pequenas comunidades, numa área de 1.200 km², foram riscadas do mapa. Pelo menos 8.015 pessoas morreram.

1961 (Idaho, US) – Em janeiro de 1961, três operadores de um reator experimental das Forças Armadas dos Estados Unidos morrem devido à radiação.


Acidentes graves

1966 (Detroit, US) – Derretimento do sistema de refrigeração de uma usina. Sem vítimas.

1969 (---, SW) O mau funcionamento do refrigerante utilizado num reator experimental inunda de radioatividade a caverna subterrânea em que este se encontrava. A caverna foi lacrada. Sem vítimas.

1975 (Alabama, US) Um incêndio atinge uma usina nuclear queimando os controles elétricos e fazendo baixar o volume de água de resfriamento do reator a níveis perigosos. Sem vítimas.

1979 (Pensilvânia, US) A usina americana de Three Mile Island é palco do pior acidente nuclear registrado até então, quando a perda de refrigerante fez parte do núcleo do reator derreter. Sem registro de mortes.


Acidentes graves

1986 (Chernobyl, RU) O maior acidente nuclear da história (até agora aquele momento), quando explode um dos quatro reatores da usina nuclear soviética, lançando na atmosfera uma nuvem radioativa de cem milhões de curies (nível de radiação 6 milhões de vezes maior do que o que escapara da usina de Three Mile Island), cobrindo todo o centro-sul da Europa. A Ucrânia, a Bielorússia e o oeste da Rússia foram atingidas por uma precipitação radioativa de mais de 50 toneladas. As autoridades informaram na época que 31 pessoas morreram, 200 ficaram feridas e 135 mil habitantes próximos à usina tiveram de abandonar suas casas. Esses números se mostrariam depois absurdamente distantes da realidade, como se verá mais adiante. ~45 mil mortes incluindo câncer em decorrência do vazamento radioativo.


Acidentes graves

1996 (Córdoba, AR) Um vazamento de material radioativo de uma central nuclear de Córdoba contamina o sistema de água potável da usina. Sem vítimas.

1997 (Tokai, JP) Uma explosão numa usina de processamento de combustível nuclear contamina 35 empregados com radioatividade. Sem vítimas.

1997 (Angra dos Reis, BR) O reator nuclear de Angra 1 é desligado por defeito numa válvula. Segundo o físico Luiz Pinguelli Rosa, foi "um problema semelhante ao ocorrido na usina de Three Mile Island", nos Estados Unidos, em 1979. Sem vítimas.

1999 (Tokaimura, JP) Um novo acidente levou à morte dois técnicos e expôs mais de 600 pessoas à radiação e cerca de 320 mil pessoas foram evacuadas da área.


Acidentes graves

2004 (Mihama, JP) O vapor não radioativo vazou por um encanamento que se rompeu, provocando a morte de cinco funcionários por queimaduras.

2008 (Tricastin, FR) Durante uma manutenção em um dos reatores da usina, substâncias radioativas vazaram, contaminando muito levemente uma centena de empregados. Sem vítimas.

2011 (Fukushima, JP) No dia seguinte a um terremoto muito forte seguido de tsunami, uma explosão ocorreu no reator da usina nuclear de Fukushima Nº1. O acidente já é classificado por especialistas no nível 4 da escala internacional de eventos nucleares (INES), que vai até o nível 7. 2 funcionários morreram.


Acidentes graves: Chernobil


Acidentes graves em minas de carvão.

http://www.correiobraziliense.com.br/app/noticia/mundo/2010/10/16/interna_mundo,218401/index.shtml

Reportagem afirma que no ano de 2009, aproximadamente 2630 pessoas morreram na China em decorrência de explosões ou soterramentos em minhas de carvão.


Acidentes graves

7. Comparação com outros métodos

Comparações

Importantes fatores a serem considerados em usinas geradoras de energia elétrica:

•Custos de produção•Emissão de gás carbônico•Disponibilidade matéria-prima a longo prazo•Danos ambientais•Segurança e riscos à saúde•Vida útil


Comparações


Comparações

http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/atlas/pdf/07-Petroleo%282%29.pdf


Reserva de carvão

País 2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

% Reservas (anos)

China 1722.0 1992.3 2204.7 2380.0 2526.0 2782.0 3050.0 45.6 % 38

USA 972.3 1008.9 1026.5 1053.6 1040.2 1062.8 973.2 15.8 % 245

Índia 375.4 407.7 428.4 447.3 478.4 521.7 557.6 6.2 % 105

EU 638.0 628.4 608.0 595.5 593.4 587.7 536.8 4.6 % 55

Austrália 351.5 366.1 378.8 385.3 399.0 401.5 409.2 6.7 % 186

Rússia 276.7 281.7 298.5 309.2 314.2 326.5 298.1 4.3 % 500+

Indonésia 114.3 132.4 146.9 195.0 217.4 229.5 252.5 3.6 % 17

África do Sul 237.9 243.4 244.4 244.8 247.7 250.4 250.0 3.6 % 122

Alemanha 204.9 207.8 202.8 197.2 201.9 192.4 183.7 2.6 % 37

Polônia 163.8 162.4 159.5 156.1 145.9 143.9 135.1 1.7 % 56

Cazaquistão 84.9 86.9 86.6 96.2 97.8 111.1 101.5 1.5 % 308

Total mundial 5,187.6 5,585.3 5,886.7 6,195.1 6,421.2 6,781.2 6,940.6 100 % 119


Reservas mundiais de urânio


Produção mundial de urânio


Emissões de CO2

http://www.zonaeletrica.com.br/downloads/20080410_ibama_3.pdf


Danos ambientais

• Seres vivos os efeitos exposição radioatividade (dois níveis):. Nível somático, cuja expressão máxima é a morte.. Nível genético, aumento de mutações, podendo originar aberrações genéticas nas gerações posteriores• Natureza da radiação• Tempo de vida• Intensidade • Órgãos acumulada • Capacidade de penetração nos tecidos


Riscos a saúde

Radioatividade Efeitos no organismo Humano

Até 250 msv Lesões cutâneas de recuperação total possível

250 a 1000 msv

“Doença da radiação”: anemia por lesões da medula óssea;Alterações nos glóbulos brancos, aumentando o risco de infecções;Hemorragias por perda da capacidade de coagulaçãolesões na mucosa do estômago e dos intestinos, com vómitos, diarreia, debilidade e úlceras;

1 a 4 sv

Dose semi-letal: doença grave por radiação, mortal em 50 % dos casos, por destruição da medula, lesões encefálicas e cardiovasculares, e hemorragias internas espontâneas.

5 a 30 svDose letal: danos graves no sistema nervoso, morte certa no prazo de 3 dias.

1 Sv = 1 J/kg = 100 rem.


Vida útil

• 40 anos de vida útil de uma usina nuclear• Prorrogamento possível, robustez Angra I e II, por mais 20 anos (60 anos)• EUA• Alemanha não prorrogará usinas de 70.


Comparativo com outros sistemas de geração


Combustível nuclear6,5 % (1998,UNDP) e de 16 % na geração de energia elétrica. janeiro 2009, 210 usinas 31 países, 438 reatores produzindo 372 GW.


Como tornar a energia nuclear mais interessante...


Você acredita que as multinacionais do petróleo podem encampar sua proposta e produzir energia nuclear?

Certamente. Elas não se consideram companhias de petróleo, e sim energéticas. Não lhes importa de onde a energia vem, mas o lucro que

conseguem nesse processo. Creio que elas poderiam, inclusive, investir na construção e operação de usinas nucleares.

James Lovelock

http://www.ecolo.org/lovelock/lovelock_gandhi_nuc-Braz_04.htm

8. Bibliografia

8. Bibliografia

http://www.eletronuclear.gov.br/pdf/panorama.pdfhttp://www.projectpioneer.com/mars/how/documents/rachel/shttp://rael.berkeley.edu/sites/default/files/old-site-files/2007/HultmanetalNuclearViewpoint2007.pdfuprimen.pdfhttp://www.comciencia.br/reportagens/nuclear/nuclear03.htm

http://www.inb.gov.br/inb/webforms/Interna2.aspx?secao_id=59

http://www.energiahoje.com/brasilenergia/noticiario/2011/05/01/431326/um-fim-definitivo-para-o-lixo.html

http://veja.abril.com.br/130808http://englishrussia.com/2009/07/07/the-worlds-first-nuclear-power-plant/138.shtml

http://veja.abril.com.br/130808/p_138.shtml

http://www.scielo.br/pdf/ea/v21n59/a04v2159.pdf

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