Usinas de geração de energia elétrica

3 - Usina nuclear / termonuclear

Usina nuclear

O funcionamento de uma usina nuclear é semelhante ao de uma usina termelétrica, ou seja, a água aquecida se transforma em vapor, que aciona o movimento das pás de uma turbina. A energia cinética do movimento das pás é convertida em energia elétrica no gerador elétrico.

A principal diferença entre a usina nuclear e a usina termelétrica é o modo como a energia térmica é produzida.

Na usina termelétrica, utiliza-se a queima de um combustível fóssil; na usina nuclear, utiliza-se um material radioativo, por meio de um processo conhecido como fissão nuclear.

Fissão nuclear

A fissão nuclear ocorre quando um nêutron é arremessado sobre o núcleo de um átomo de urânio enriquecido (U-235), como mostra a ilustração ao lado:

O núcleo composto é altamente instável e sofre fissão (quebra), gerando os seguintes produtos: núcleo de criptônio; núcleo de bário; dois nêutrons e energia na forma de calor (térmica).

Reator nuclear

O reator nuclear é a estrutura onde ocorre o processo de fissão. Um reator conta com barras de combustível físsil, geralmente elas são compostas de cerca de 400 pastilhas pequenas de urânio-235.

Essas barras de combustível são colocadas de maneira intercalada com as barras de controle. Conforme explicado, nêutrons são liberados durante a fissão nuclear e, se eles bombardearem novamente os núcleos do combustível físsil, haverá uma reação em cadeia que crescerá progressivamente, ou seja, produzirá cada vez mais nêutrons a cada fissão e a energia liberada será cada vez maior.

Assim, para que isso não ocorra de uma forma descontrolada, as barras de controle, também denominadas de barras de moderador de nêutrons, diminuem a velocidade dos nêutrons liberados e possibilitam o prosseguimento da reação em cadeia.

Essas barras são feitas de aço-boro, cádmio ou háfnio, que são materiais que absorvem nêutrons sem sofrer fissão, pois sendo absorvidos, os nêutrons não provocarão novas fissões e a velocidade da reação diminuirá.

Usina nuclear

Essa energia térmica proveniente da fissão nuclear do reator é usada para aquecer a água em uma caldeira até a temperatura de ebulição, completando o circuito primário.

Uma parte da água líquida se transforma em vapor d’água em alta pressão. As moléculas em movimento do vapor se chocam com as pás de uma turbina, colocando suas pás em rotação.

Depois que o vapor executar sua função, ele segue para o condensador, onde vai virar água novamente e retornar ao vaporizador. Este é o chamado circuito secundário.

Para que o condensador transforme o vapor do circuito secundário em água, é necessário que ele seja abastecido de água fria. Essa água fria pode vir de rios e lagos próximos. Ao passar pelo condensador, esta água fica quente, necessitando ser resfriada nas torres de resfriamento (a maior parte de uma usina nuclear). Este é o circuito terciário.

Usina nuclear

O movimento de rotação da turbina (energia cinética) é transformado em energia elétrica no gerador, tal como ocorre nas usinas hidrelétricas e termelétricas.

Usina nuclear

Resumindo:

Energia térmica

Energia cinética

Energia elétrica

Usina nuclear

Reator nuclear

Gerador

Torre de resfriamento

Vantagens de uma usina nuclear

As vantagens da utilização desse tipo de usina são semelhantes às de uma usina termelétrica, ou seja, possui bom rendimento (em torno de 50 %), funciona ininterruptamente (desde que o combustível nuclear esteja presente) e não é necessária nenhuma condição geográfica especial para a sua construção.

Além disso, uma usina nuclear não emite gás carbônico; portanto, não é poluente. Uma quantidade pequena de material radioativo é necessária para a produção de energia; para efeito de comparação, apenas 10 gramas de urânio produzem a mesma quantidade de energia que 700 kg de óleo ou 1.200 kg de carvão.

A usina nuclear pode ser instalada em um espaço pequeno, se comparada às usinas hidrelétricas, e não depende de fatores climáticos como chuvas e vento. Apesar do risco de contaminação, a quantidade de resíduos gerados é pequena e compacta.

Vantagens de uma usina nuclear

Bom rendimento

Pode produzir energia

24 h/dia

Forma concentrada de

energia

Não polui

Independe de condições

climáticas e geográficas

Quantidade pequena e

compacta de resíduos

Desvantagens de uma usina nuclear

Esse tipo de usina utiliza combustível nuclear para a produção da energia térmica necessária na evaporação da água líquida.

O vazamento do combustível nuclear pode causar contaminação nos seres humanos, nos animais, no solo e no ambiente.

Caso um acidente nuclear ocorra, uma grande área precisará ser evacuada, podendo se tornar inabitável, como ocorreu na cidade de Pripyat, após o acidente nuclear na usina de Chernobyl.

As usinas nucleares modernas são seguras e os riscos são controlados.

Há o risco de forte impacto ambiental pelo aquecimento da água de rios e lagos, utilizadas no circuito terciário.

Desvantagens de uma usina nuclear

Os resíduos devem ser armazenados

em lugares seguros

A energia é cara

Impacto ambiental

Um acidente nuclear pode ter consequências catastróficas

A usina nuclear no Brasil e no mundo

No Brasil, a usina nuclear corresponde a apenas 3% da produção de energia elétrica. Há duas usinas nucleares e uma outra em construção. Elas estão localizadas no município de Angra dos Reis, no estado do Rio de Janeiro.

Angra 1, a primeira usina nuclear brasileira, é do tipo PWR (o tipo mais utilizado no mundo – Pressurized Water Reactor) e foi inaugurada em 1985. A sua produção é capaz de suprir uma cidade com 1 milhão de habitantes, tal como Florianópolis.

Angra 2 entrou em operação no ano 2000, sendo também do tipo PWR. Essa usina é capaz de gerar o dobro de energia em comparação com Angra 1. A sua potência nominal é de 1.350 MW.

Angra 3 está em construção e terá a potência bruta de 1.405 MW de energia (um pouco maior que a de Angra 2). A sua produção anual será capaz de suprir um terço do consumo do estado do Rio de Janeiro anualmente.

Angra I

Angra II

Angra III

A usina nuclear no Brasil e no mundo

A usina nuclear em países como a França, corresponde a 78% da produção de energia elétrica. A tabela abaixo mostra os cinco países mais dependentes da produção de energia elétrica pelas usinas nucleares:

Central nuclear de Belleville, França

Enriquecimento do urânio

O urânio-235 é um elemento que pode sofrer fissão induzida, mas é raro encontrá-lo na natureza. No entanto, o urânio-238 (que não sofre fissão induzida) é comum na natureza. Apenas 0,7% dos átomos de urânio encontrados na Terra são átomos de urânio-238.

Por isso, é necessário um método para “enriquecer” o urânio, ou seja, transformar o urânio-238 em urânio-235: o mineral bruto é retirado da natureza e levado para a indústria.

O hexafluoreto de urânio (UF6) é o composto de urânio processado, na forma gasosa, por equipamentos especiais empregados nos processos tecnológicos de enriquecimento de urânio. No caso do processo de ultracentrifugação, o gás passa por equipamentos chamados ultracentrífugas que giram em velocidade extremamente alta, separando os dois tipos de isótopos, o urânio-235 e o urânio-238.

Por ser mais pesado, o urânio-238 se desloca para as paredes da ultracentrífuga, enquanto que o urânio-235, por ser mais leve, se concentra no centro, de onde são retirados.

A triste história de Chernobyl

A usina nuclear de Chernobyl fica no norte da Ucrânia.

O acidente ocorreu entre os dias 25 e 26 de abril de 1986, durante um teste de segurança ao início da madrugada que simulava uma falta de energia da estação, durante a qual os sistemas de segurança de emergência e de regulagem de energia foram intencionalmente desligados.

Uma combinação de falhas inerentes no projeto do reator, bem como dos operadores dos reatores que organizaram o núcleo de uma maneira contrária à lista de verificação para o teste, violando diversos protocolos, são apontadas como a causa do acidente, iniciado no reator 4.

Mais de 70 toneladas de urânio e 900 toneladas de grafite foram lançadas na atmosfera. Radiação foi espalhada pela antiga União Soviética e por outros países europeus.

O incêndio resultante só foi finalmente contido em 4 de maio de 1986.

Fumaça do incêndio de grafite e reator derretido.

A triste história de Chernobyl

Reator 4, após o desastre.

Muitos dos militares envolvidos não tinham roupas de proteção adequadas, e tentavam fazer sua própria proteção.

Um helicóptero militar espalha fluido descontaminante para tentar frear o avanço de partículas radioativas nos arredores da usina, alguns dias após o desastre.

A triste história de Chernobyl

A cidade de Prypiat, nascida em função da usina, virou uma cidade-fantasma. Possuía uma população de cerca de 49.360 pessoas na época do acidente, e foi evacuada na tarde do dia 27 de abril, um dia após o desastre.

Os moradores tiveram que sair da cidade e nunca mais foi permitida a sua volta. Assim, Pripiat virou uma cidade-fantasma.

Alguns números do desastre de Chernobyl:

31 mortos (diretamente) + 15 mortos (indiretamente, até 2011) + 6 000 casos de câncer de tireoide + 4 000 fatalidades a longo prazo no mundo soviético 9 000 a 16 000 mortos devido a contaminação pela Europa (estudo da ONU).

Prypiat, cidade-fantasma

Acidente nuclear de Fukushima

Em 11 de março de 2011, um terremoto de magnitude próxima de 9 causou um tsunami com ondas de 14 metros e a água inundou a usina nuclear de Daiichi no município de Fukushima, na costa nordeste do país.

O tsunami causou danos à usina nuclear e a liberação de material radioativo. Não há mortes atribuídas diretamente à exposição à radiação, mas uma decisão das autoridades japonesas causou mais de 1.280 mortes adicionais.

O apagão nuclear e o aumento no preço da eletricidade levaram a uma redução no consumo de eletricidade, da qual muitas pessoas dependiam para se aquecer.

Muitas pessoas passaram reduzir o uso dos sistemas de aquecimento e isso causou mortes por doenças ligadas à exposição ao frio, segundo os pesquisadores.

Acidente nuclear de Fukushima

O acidente foi iniciado pelo tsunami provocado pelo terremoto Tōhoku. Após o terremoto, os reatores ativos automaticamente pararam as reações de fissão induzida.

Porém, o tsunami desligou os geradores de emergência que resfriariam os reatores. Houve o derretimento de núcleos de três dos seis reatores nucleares da usina.

Mais de 171 mil pessoas foram evacuadas e ainda não puderam voltar para suas casas. Estima-se que 1.600 mortes tenham ocorrido, principalmente entre idosos que viviam em casas de repouso, devido às más condições de evacuação.

Moral da história: A evacuação causou mais mortes do que o terremoto e o tsunami.

Acidente nuclear no Brasil

Em 1987, na cidade de Goiânia, uma certa quantidade de material radioativo (em um aparelho de radioterapia abandonado) foi indevidamente manuseada por várias pessoas, que ficaram maravilhadas com o brilho intenso de cor azul apresentado por esse material.

As pessoas que tiveram contato com o material apresentaram náuseas, vômitos, diarreias e queimações na pele.

Apenas 17 dias após o acidente, o material foi identificado como radioativo e as primeiras providências foram tomadas pelo CNEN (Comissão Nacional de Energia Nuclear): identificação e monitoramento da população envolvida; descontaminação dos focos principais e demolição de prédios.

Esse foi o maior acidente radioativo da história fora de uma instalação nuclear. O acidente com o césio-137 em Goiânia foi considerado de nível 5 na Escala Internacional de Acidentes Nucleares, que vai de 1 até 7, sendo que Chernobyl é classificada no valor máximo e Fukushima apresentou nível 6.

Acidente nuclear no Brasil

Um ferro-velho foi um dos pontos centrais do acidente

Dezenas de casas foram demolidas e centenas de objetos - cerca de 6.000 toneladas de lixo - foram jogados fora

Leide, de 6 anos, primeira vítima do acidente