REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.7823642
Neilson Freitas Júnior
RESUMO
A usina nuclear é uma instalação industrial que visa produzir eletricidade a partir da energia nuclear. Caracteriza-se pela adoção de materiais radioativos como urânio que produz calor como resultado de uma reação nuclear. As usinas nucleares usam esse calor para gerar vapor, e então é usado para mover as turbinas e produzir eletricidade. As centrais nucleares podem ter um ou mais reatores, que são compartimentos impermeáveis à radiação, nos quais são colocadas barras ou outras configurações geométricas de minerais com algum elemento radioativo (normalmente urânio). No processo de fissão nuclear, há uma reação em cadeia sustentada e moderada pelo uso de elementos auxiliares, dependendo do tipo de tecnologia empregada. Eles podem ser PWR (reatores de água pressurizada) ou BWR (reatores de água fervente).
Palavras-chave: usina; nuclear; radiação; geração.
- INTRODUÇÃO
A necessidade de fontes alternativas de energia não é nada novo, porém, a necessidade é urgente, a nível global. As pessoas e os governos estão sofrendo com o impacto do aumento surpreendente nos custos de energia e alarmadas com os perigos provocados por muitos problemas ambientais.
Enquanto a população mundial cresce e eventualmente estabiliza, as demandas de energia para garantir condições de vida adequadas onerarão severamente os recursos disponíveis, especialmente os dos combustíveis fosseis. Novas e diferentes fontes de energia e métodos de conversão terão de ser explorados e colocados em uso prático. O sábio uso da energia nuclear, baseado na compreensão tanto de riscos quanto de benefícios, será requerido para satisfazer este desafio à realidade (MURRAY, 2004, p.22).
A geração elétrica nuclear deve ser colocada no contexto mais amplo do desenvolvimento energético mundial. Baseadas nos princípios do desenvolvimento sustentável, as mais recentes análises de ciclo de vida das várias opções de geração elétrica não conseguem elaborar um cenário para os próximos cinquenta anos no qual não haja uma significativa participação da fonte nuclear para atender às demandas de geração de energia concentrada, juntamente com as renováveis, para atender às necessidades dispersas.
Existem duas formas de aproveitar essa energia para a produção de eletricidade: A fissão nuclear, onde o núcleo atômico se divide em duas ou mais partículas, e a fusão nuclear, na qual dois ou mais núcleos se unem para produzir um novo elemento.
- USINAS NUCLEARES
Segundo o CNEN (2017), a usina nuclear é uma instalação industrial destinada à produção de eletricidade. A energia nuclear tem como principal fonte o mineral radioativo urânio, que é um mineral não renovável, encontrado na natureza.
O princípio de funcionamento de uma usina nuclear é semelhante ao de uma usina termoelétrica convencional. Ambas utilizam o calor (termo) para gerar eletricidade. Nas termoelétricas, o calor é proveniente da queima de combustíveis. Nas usinas nucleares, o calor é resultado da fissão nuclear dos átomos de urânio (WNA, 2015).
2.1 Usinas Nucleares no mundo
No início do século XXI, a participação da energia nuclear ainda é pequena, se comparada com a grande quantidade de centrais térmicas baseadas no carvão, principal matéria prima energética do início do século, e do óleo, derivado do petróleo. Mas já pode ser comparada à quantidade de hidroelétricas, que foram as mais construídas durante os últimos anos.
No ano de 2017, a AIEA (2017) afirmou que ao redor do mundo 438 centrais termoelétricas estão em operação,como pode ser visto na figura 5, em grande parte concentradas na América do Norte (EUA e Canadá) e Europa, em especial a França, como pode ser visto na figura 1, e o Leste Europeu.
Figura 1 – Reatores em operação no mundo
Fonte: AIEA (2009)
Apesar dos vários movimentos governamentais em busca de parar a construção de usinas nucleares, no mundo ainda há 36 centrais em construção em 14 diferentes países, evidenciando que essas centrais ainda serão responsáveis por grande parte da energia elétrica gerada no globo.
De todos os países detentores da tecnologia nuclear e que já implementaram centrais nucleares, 19 deles possuem mais de 25% da geração nuclear.
O maior produtor mundial são os EUA, seguidos pela França e pelo Japão, que dependem muito dessa tecnologia para a manutenção de suas infraestruturas socioespaciais. Os franceses, por exemplo, contam com a energia nuclear para o suprimento de aproximadamente 75% de toda a eletricidade consumida no país.
O Brasil tem um dos maiores potenciais de geração hidroelétrica do mundo, o que lhe garante uma matriz elétrica entre as mais limpas do planeta, vide figura 6. Por conta de suas dimensões continentais, o país mantém um sistema interligado, que abrange quase todo o território nacional, capaz de aproveitar a sinergia entre as diversas fontes de geração de eletricidade.
Figura 2 – Gráfico da matriz energética brasileira
Fonte: EPE (2016)
É importante diversificar a matriz do sistema elétrico, explorando outras fontes, como mostra a figura 7, incluindo a nuclear. O Brasil tem a sétima maior reserva de urânio do mundo, com apenas um terço do território pesquisado, é um dos poucos países a deter tecnologia de todas as etapas do ciclo do combustível nuclear.
Figura 3 – Tabela de operação da matriz energética brasileira
Fonte: ANEEL (2014)
2.2 COMPONENTES DE UMA USINA NUCLEAR
Figura 4 – Componentes de uma usina nuclear
Fonte: ELETROBRAS (2011)
Para entender um reator nuclear e consequentemente uma usina,define-se abaixo cada equipamento:
- Elemento combustível: é uma estrutura que contém varetas carregadas de urânio,estas varetas são fechadas,com o intuito de não deixar escapar o material radioativo,o elemento combustível é o núcleo do reator.
- Barras de controle: são estruturas que absorvem os nêutrons geralmente feitas de Cádmio ou Boro,se localizam em tubos associados ao elemento combustível,o objetivo destas barras são de controlar a reação de fissão nuclear. Quando as barras estão totalmente dentro da estrutura do elemento combustível o reator está parado.
- Vaso de pressão: é um esqueleto de aço que abriga os elementos combustíveis e contém a água de refrigeração dos elementos combustíveis.
- Pressurizador: é o equipamento onde se controla a pressão da água aquecida que fica no vaso de pressão.
- Gerador de vapor: é o instrumento onde se faz a troca de calor da água do circuito primário (vaso de pressão-pressurizador) e a água do circuito secundário(gerador de vapor-turbina-condensador-tanque de água de alimentação-gerador de vapor), nesta troca o vapor aciona a turbina.
- Gerador elétrico: acionado pela turbina transforma energia cinética (movimento da turbina) em elétrica.
- Condensador: é o equipamento que faz com que a água volte ao estado líquido.
- Vaso de contenção: é uma carcaça de aço onde estão o vaso de pressão do reator, pressurizador e o gerador de vapor.
- Bombas: são sistemas de tubos que ligam o condensador a um resfriador (sistema de refrigeração).
- Edifício do Reator: é um envoltório de concreto revestindo a contenção.
2.3 FUNCIONAMENTO DE UMA USINA NUCLEAR
O princípio de funcionamento de uma usina nuclear é análogo ao de uma caldeira usada numa usina térmica convencional. Na usina nuclear, a quebra do núcleo atômico libera calor, que é utilizado para produzir vapor de água, que, por sua vez, terá como função movimentar uma turbina, gerando energia elétrica.
Uma usina nuclear funciona como uma usina térmica convencional; só que, para gerar o calor, não usa combustão de carvão, óleo ou gás. A matéria-prima da usina é o urânio. Os elementos combustíveis das usinas são compostos por varetas cheias de pequenas pastilhas cerâmicas de dióxido de urânio. A geração de energia começa com a fissão dos átomos de urânio dentro do núcleo do reator. Essa fissão gera calor e aquece a água do sistema primário. No Gerador de Vapor, essa água aquece a água do sistema secundário, transformando-a em vapor. Após movimentar a turbina, esse vapor passa pelo condensador, onde é resfriado pela água do mar (sistema terciário) e retorna ao Gerador de Vapor. O Gerador elétrico acoplado ao eixo da turbina produz a eletricidade que abastece a rede de energia elétrica. É importante salientar que todos os sistemas de circulação de água são independentes, não havendo contato direto entre eles (MURRAY, 2004, p.249).
Uma usina nuclear é formada basicamente por três fases: a primária, secundária e de refrigeração, como mostra figura 12:
Figura 5 – Funcionamento de uma central nuclear
Fonte: NUTEC (2008)
Segundo Cardoso (2017) que a independência entre o circuito primário e o circuito secundário tem o objetivo de evitar que danificando-se uma ou mais varetas, o material radioativo (urânio e produtos de fissão) passe para o Circuito Secundário, ele ainda conclui com uma observação, de que a própria água do Circuito Primário é radioativa.
O funcionamento destes circuitos de água e descrito pelo IPEN:
Uma Usina Nuclear possui três circuitos de água: primário, secundário e de água de refrigeração. Esses circuitos são independentes um do outro; ou seja, a água de cada um deles não entra em contato direto com a do outro. No interior do vaso do reator, que faz parte do circuito primário, a água é aquecida pela energia térmica liberada pela fissão dos átomos de urânio. O calor dessa água é transferido para a água contida no gerador de vapor, que faz parte do circuito secundário. O vapor então produzido é utilizado para movimentar a turbina, a cujo eixo está acoplado o gerador elétrico, resultando então em energia elétrica. A água do circuito primário é aquecida até cerca de 305 ºC; sua pressão é mantida em torno de 157 kgf/cm², para que permaneça no estado líquido. O vapor é condensado através de troca de calor com a água de refrigeração. A água condensada é bombeada de volta ao gerador de vapor, para um novo ciclo (IPEN, 2009).
De acordo com Benigno, o processo tem início no reator de potência, no qual é colocada determinada quantidade de elementos combustíveis (nesse caso o urânio enriquecido-235 cerca de 3,5%). Os núcleos dos átomos que constituem esses elementos combustíveis, ao serem bombardeados com nêutrons, são divididos, liberando mais nêutrons. Esses nêutrons desencadeiam novas quebras de núcleos atômicos, aumentando, assim, a liberação de calor.
A água do circuito primário é aquecida pelo calor liberado no reator e atinge a temperatura aproximada de 320ºC. Para impedir que a água ferva, é utilizado um dispositivo denominado pressurizador, que, como o próprio nome sugere, aumenta a pressão sobre a água, elevando com isso a temperatura necessária para que a água chegue a ebulição.
A água do circuito primário, ao passar por esse trecho da tubulação, aquece e vaporiza a água que abastece o gerador de vapor. Ao se expandir, esse vapor é canalizado e chega a turbina, produzindo o seu movimento, como pode ser observado na figura 12. Com isso, o processo que teve início com energia térmica, proveniente da fissão nuclear, produz energia mecânica, representada pelo movimento da rotação do eixo da turbina que atua no eixo do gerador e que por sua vez produz energia elétrica.
- CONSIDERAÇÕES FINAIS
Através desse trabalho foi possível ter uma percepção de que a energia nuclear é, sem dúvida, o futuro das energias, cada vez mais os países estão desenvolvendo projetos de forma a apostar nesta energia, e os que já produzem apostam cada vez mais nesta forma de energia rentável.
É uma energia com inúmeras vantagens, tanto a nível energético, como ambiental e econômico, mas como contrapeso as suas desvantagens são bem complexas, qualquer dos acidentes afetam em grande escala.
A energia nuclear pode ser uma importante alternativa em meio as dificuldades apresentadas. Em países onde não se tem um favorecimento de energia renováveis, ela serve como fonte de geração de energia elétrica. Ela pode também ser uma nova opção para o esgotamento dos combustíveis fósseis como o petróleo. Seu vasto uso na medicina, construção civil e até na agricultura, aumentam ainda mais a amplitude do uso de tal.
A energia nuclear é uma forma tecnicamente complexa de se obter energia elétrica, devido a uma grande quantidade de fatores críticos. Através desse estudo, foi possível observar os principais parâmetros de produção e segurança desse tipo de energia.
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