Usinas Nucleares e o Ciclo do Combustível Nuclear

Princípios e características

Principais formas de gerar energia elétrica

As formas de energia de se gerar energia elétrica são as seguintes :

• Eólica ( energia dos produzida pelos ventos )• Solar ( através dos raios solares)• Eletroquímica ( energia produzida em reações

químicas, por exemplo a célula combustível )• Hidráulica ( energia produzida pela força da água )• Térmica ( produzida pelo calor )

Tipos de Usinas térmicas

• Elementos fósseis ( carvão )

• Biomassa ( bagaço de cana e briquetagem )• A gás natural e metano• Nuclear

Usinas Nucleares

O que são Usinas Nucleares?

- São Usinas térmicas ou chamadas termonucleares que, no processo de geração de calor para gerar energia

elétrica utilizam energia nuclear

Como é produzido o calor ?

• Através do processo de fissão nuclear do átomo de um material físsil é liberada energia térmica ( calor ) para gerar energia elétrica

Energia térmica da fissão do ( Urânio )U-235 da Usina

Nuclear de Angra II

Potência linear média nominal das varetas de combustível da

Usina Nuclear de Angra II

• Potência de 208 W/cm

O que é fissão nuclear ?

• A fissão nuclear ocorre quando o núcleo de um átomo de um elemento físsil é bombardeado por nêutrons, ocorrendo a fissão desse núcleo e a emissão de nêutrons, fótons gama, partículas alfa e beta, energia térmica e a transmutação ou decaimento desse átomo em outro elemento radioativo

Fissão do urânio U-235

Qual a função do calor gerado ?

• Tem a função de aquecer a água em contato com os elementos combustíveis, que irá para um trocador de calor chamado gerador de vapor. O vapor gerado é levado a turbina que move o gerador elétrico gerando energia elétrica.

Usina PWR ( Reator à água leve pressurizada )

A Usina é dividida em três circuitos ou loops fechados

• Circuito primário – é o circuito responsável por gerar calor, onde se encontra radiação e este circuito é isolado do secundário

• Circuito secundário – circuito água-vapor responsável por gerar vapor para as turbinas que irão mover o gerador elétrico

• Circuito terciário ou de água de refrigeração – é o circuito responsável por condensar o vapor que vem das turbinas, através da água do mar

Turbina de Angra II

Como é controlada a fissão nuclear para controlar a potência da Usina

• Na fissão do urânio U-235 são gerados 3 nêutrons rápidos que tem alta energia e velocidade, e pequena probabilidade de se chocar com um átomo de urânio

• Para haver a fissão, é necessário que sejam nêutrons lentos ou térmicos porque tem menor energia e velocidade, aumentando a probabilidade de choque com o átomo de urânio e a eficiência na transferência de energia

• A água nesse caso tem duas funções : os nêutrons rápidos se chocam com as moléculas de água, perdem energia e ficam lentos e a água transfere o calor para o gerador de vapor

• O controle é feito através de barras de controle e boro. As barras de controle são usadas quando se necessita de variações lentas ou rápidas de potência, desligamento emergencial, não sendo usada em operação normal. O Boro é usado na operação normal da Usina sendo que a sua função é a de capturar os nêutrons excendentes. Quando se deseja reduzir a potência da Usina, é injetado boro na água para aumentar a captura de nêutrons e para o aumento de potência a água deve ser diluída ( reduzir a concentração de boro ), com isso o controle é feito com a injeção e retirada de boro.

Controle da reação

Barreiras de Contenção

Características de operação

• Temperatura média do primário 308,6ºC

• Pressão do primário 157 bar

• Temperatura do vapor 280,3ºC

• Pressão do vapor 64,5 bar

Características do elemento combustível

• Urânio U-235 enriquecido em 1,9%, 2,5% e 3,2%

• Cada elemento combustível tem 236 varetas de combustível e 20 barras de controle

Elemento combustível

O núcleo do reator

• O núcleo do reator tem 193 elementos combustíveis

• Com isso, o núcleo é composto de 45548 varetas de combustível, sendo que cada vareta é composta de um certo número de pastilhas de urânio

• O peso total de urânio é de 104000 Kg

Reator

Cavidade do Reator

•

Cavidade do Reator

Autonomia do Reator de Angra 2

• Na troca de elementos combustíveis dos 193 são trocados cerca de 1/3 ou aproximadamente 64.

• Para gerar 1362MW por dia é necessária a queima de 1 Kg de urânio

• Com isso, o ciclo irá durar aproximadamente 10 meses

Cálculo da Potência térmica do Reator

• P linear da vareta = 208 W/cm

• P da Vareta = 390 cm x 208 W/cm = 81,12 KW• P do elemento Comb. = 81120 x 236 varetas = 19.144,32 KW

ou 19,14 MW• P do Reator = 19,14432 MW x 193 elementos = 3.695,95 MW

térmicos ou 3,695 GW térmicos • Como o ciclo térmico da Usina tem 34,5% de eficiência, a

Potência elétrica útil é de aproximadamente 1362 MW elétricos

Ciclo do Combustível

• Prospecção e Mineração

• Conversão• Enriquecimento• Reconversão• Fabricação das Pastilhas• Fabricação do Elemento Combustível

• Geração• Armazenamento do Elemento Combustível usado

Mineração

• O urânio é um metal encontrado em formações rochosas da crosta terrestre

• Etapas : descobrir a jazida, fazer sua avaliação econômica, prospecção, mineração e o beneficiamento

Mineração

Conversão

• É a transformação do yellowcake (U3O8 ) em hexafluoreto de urânio ( UF6 )

• O urânio sob a forma de yellowcake é dissolvido, purificado obtendo-se o urânio nuclearmente puro.

Conversão

Enriquecimento

• O urânio U-235 é o isótopo físsil responsável pela reação em cadeia nos reatores nucleares

• Atualmente o processo é feito no exterior, com a tecnologia desenvolvida pelo CTMSP e o contrato assinado, a INB através da FCN irá enriquecer o combustível pelo processo de ultracentrifugação

Enriquecimento

Reconversão

• O hexafluoreto de urânio ( UF6 ) é transformado em dióxido de urânio ( UO2 )

• Reconverter gás em pó é concentrar o urânio de maneira apropriada para sua utilização como combustível

Reconversão

Fabricação das pastilhas

• Prensa rotativa

• Forno de sinterização

• Retífica

• Medição a laser

• Pastilhas prontas

Processo de fabricação

Pastilhas de Urânio

Fabricação do Elemento Combustível

• É composto pelas pastilhas de dióxido de urânio montadas em tubos de uma liga metálica especial - o zircaloy - formando um conjunto de varetas, cuja estrutura é mantida rígida por reticulados chamados grades espaçadoras.

Montagem do Elemento Combustível

Geração

• O combustível é utilizado nas Usinas Nucleares de Angra dos Reis

Angra I e II

Armazenamento do Elemento Combustível usado

• O combustível usado é armazenado dentro da Usina, na piscina de elementos combustíveis usados, não tendo contato nenhum com o ambiente interno da contenção, pois o transporte é feito sob a água.

Piscina de Elementos Combustíveis usados

Percentual nuclear

Conclusão

Wilma dos Santos Bastos

Instituto de Engenharia Nuclear/CNEN

( .... ) as reservas de urânio existentes no país ( 6a reserva do mundo ) se utilizada em reatores rápidos, fariam o país gerar energia equivalente a todo o petróleo do mundo árabe.

O futuro da energia nuclear no país é, sobretudo, um problema político e, enquanto estiver ligado a interesses econômicos do mercado externo, não terá solução satisfatória. Desenvolvimento estará sempre ligado a produção de energia e o modo pelo qual ela é gerada define o grau de soberania do país.