ARMAZENAMENTO DOS ELEMENTOS E REJEITOS EM USINAS NUCLEARES

Engenharias, Volume 27 - Edição 123/JUN 2023 / 08/06/2023

REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.8018051

Cicero Willame Fernandes de Andrade
Walter Florestan S. Prado
Orientadora: Claudia Terezinha Kniess

Resumo

A energia nuclear apresenta uma expansão significativa a nível mundial e no Brasil não é diferente. Com isso, cresce o nível de preocupação em relação a geração e armazenamento dos rejeitos nucleares. O objetivo deste estudo é analisar e comparar os métodos utilizados para o armazenamento dos elementos e rejeitos nucleares. A pesquisa exploratória foi realizada por meio de dados secundários, derivados de pesquisas bibliográficas em artigos científicos e análise documental de materiais disponibilizados por órgão governamentais. Após as análises identificou-se os tipos de armazenamento de resíduos nucleares: armazenamento em piscina, armazenamento em sistema a seco e armazenamento por meios geológicos. Foi possível comparar as vantagens e desvantagens de cada tipo de armazenamento identificado.

Palavras Chaves: Energia nuclear, rejeitos nucleares, armazenamento.

1. Introdução

O armazenamento dos elementos e rejeitos em usinas nucleares é um tema complexo e de grande importância para a segurança da população e do meio ambiente (IAEA, 2021). A energia nuclear é uma das principais fontes de energia limpa e de baixa emissão de gases de efeito estufa, mas a gestão de seus resíduos é um dos grandes desafios, pois os elementos combustíveis utilizados nas usinas nucleares geram rejeitos radioativos que permanecem perigosos por milhões de anos. A gestão desses resíduos envolve o armazenamento seguro em locais específicos e monitorados, a fim de evitar contaminação ambiental e exposição humana. O armazenamento de rejeitos nucleares é um desafio técnico, político e social, devido à necessidade de manter esses materiais isolados da biosfera por longos períodos (CNEN, 2018).

O Brasil possui duas usinas nucleares em operação e é signatário de acordos internacionais para a gestão dos rejeitos nucleares. O país tem um programa de gerenciamento de rejeitos, que inclui a construção de um depósito de resíduos nucleares em Angra dos Reis, no estado do Rio de Janeiro.

 No mundo, existem diferentes estratégias para o gerenciamento de rejeitos nucleares. Além disso, há pesquisas em andamento para desenvolver novas tecnologias, como a transmutação, que busca transformar os rejeitos em materiais menos nocivos. Em resumo, o armazenamento de elementos e rejeitos nucleares é um desafio significativo para a indústria nuclear, mas é fundamental para garantir a segurança e a sustentabilidade da energia nuclear. É importante que os países adotem estratégias de gerenciamento de rejeitos seguras e eficientes, para minimizar os riscos para o meio ambiente e a saúde pública. 

 Neste sentido, o objetivo deste trabalho é analisar, com base em dados da literatura, e comparar os diferentes métodos utilizados para o armazenamento dos elementos e rejeitos nucleares.

2. REFERENCIAL TEÓRICO

2.1 Eletricidade Por Energia Nuclear

A energia nuclear é o tipo de  energia que mantém os prótons e nêutrons juntos no núcleo do átomo, mantendo a estrutura do mesmo, a utilização dessa energia baseia-se na técnica de fusão de hidrogênio e fissão nuclear de elementos como o urânio (GOMES, 2017).

Para Lana e Almeida (2016), a energia nuclear é denominada como aquela gerada pela fissão controlada de um elemento natural, energia térmica e radioativa eliminada no momento de divisão do núcleo do átomo do elemento natural utilizado podendo ser urânio ou outro radioativo. A reação nuclear acontece de forma contínua, “reação em cadeia”, que no processo de divisão nuclear alguns nêutrons são liberados e se chocam com outros átomos do elemento presente, dando sequência ao processo de geração de energia térmica e radioativa, são utilizadas barras, tendo em sua composição elementos capazes de absorver os nêutrons que movimenta-se de acordo com a necessidade.

  A principal utilização da energia nuclear é a geração de energia elétrica. As usinas nucleares ou usinas termoelétricas são as usinas que utilizam o calor produzido durante o processo de fissão que move o vapor de água que por sua vez movimenta as turbinas e consequentemente produz eletricidade (GONÇALVES; ALMEIDA, 2005).

A importância da energia nuclear no desenvolvimento das matrizes energética mais limpa é o motivo principal para que muitos países não geradores se voltem na investigação e no estudo em desenvolver novas tecnologias de geração com o objetivo em buscar melhorias nas mudanças climáticas, e  a fonte nuclear é considerada uma das opções que emite baixo carbono (TOLMASQUIM, 2016).

Segundo Tolmasquim (2016), o início da energia nuclear foi marcado pelo evento militarista de 1945, com os bombardeios das cidades de Hiroshima e Nagasaki, devido a esse ato ainda possuir uma repercussão em sua aceitação pela sociedade no geral. 

Com o fim da Segunda Guerra Mundial, surgiu grandes mudanças setor nuclear, os mais diversos modelos de reatores foram projetados, e muitos foram de fatos construídos, alguns estando em operação até nos dias de hoje,  com o tempo foi ganhando melhorias e foi obtido reatores conhecidos que funcionam com baixo impacto ambiental e com segurança(CARAJILESCOV; MOREIRA, 2008).

A era de geração elétrica através da energia nuclear iniciou quase simultaneamente com a antiga União Soviética, Inglaterra e EUA. A primeira usina nuclear a produzir eletricidade foi a usina de Obninsk, gerando 5 MW localizada na União Soviética. O início da operação foi em 27 de julho de 1954, seu reator era de combustível de baixo enriquecimento, usando grafite e água, com circulação em tubos pressurizados, como refrigerantes. A segunda usina foi a Calder Hall, do tipo GCR (gás cooled reactor) ou Magnox (reator com combustível de urânio natural, revestido por uma liga de Magnox, moderado a grafite e refrigerando por gás carbono (CO2),localizado na Inglaterra, com o início das atividades em 27 de agosto de 1956, a mesma gerando 50MW, foi considerada a primeira usina comercial no mundo, foi desativada em 31 de março de 2003, com aproximadamente 47 anos  em operação (CARAJILESCOV; MOREIRA, 2008).

Diante do crescimento mundial, foi identificado a necessidade de aumentar o fornecimento de energia no mundo até 2050, com demanda maior em países emergentes como o Brasil, China, Índia e alguns países da América do Sul, também sendo necessário incluir Ásia e África. (CARAJILESCOV; MOREIRA, 2008) 

Segundo o Relatório do Status da Indústria Nuclear Mundial (2022) (World Nuclear Industry Status Report – WNISR), houve uma diferença nas avaliações da Agência Internacional de Energia Atômica (International Atomic Energy Agency – IAEA) e do WNISR em relação aos reatores nucleares em operação e à geração de eletricidade nuclear.

De acordo com a IAEA, havia 437 reatores nucleares em operação no mundo, incluindo 33 unidades no Japão. No entanto, o WNISR classificou 29 dessas unidades como desligadas a longo prazo (LTO), sendo 23 no Japão. Esses reatores estão em estado de LTO até meados de 2022, três a mais do que o WNISR2021 havia classificado nessa categoria (SCHNEIDER; FROGGATT, 2022).

Quanto à geração de eletricidade nuclear, em 2021, a frota nuclear mundial gerou 2.653 terawatt-horas (TWh) de eletricidade líquida. Houve um aumento de 3,9% na produção nuclear em 2021, mas ainda abaixo do nível de 2019.A China ultrapassou a França pelo segundo ano consecutivo e se manteve em segundo lugar, atrás dos Estados Unidos, como um dos principais produtores de energia nuclear. Fora da China, a produção nuclear aumentou 2,8% e atingiu um nível semelhante ao de 2017 (SCHNEIDER; FROGGATT, 2022)

 Em relação à participação da energia nuclear na geração global de eletricidade, em 2021, ela caiu para 9,8%, o que representa a primeira vez que fica abaixo de 10% e o valor mais baixo em quatro décadas. Essa participação é mais de 40% menor do que o pico de 17,5% alcançado em 1996, à medida que a geração global de eletricidade continua a aumentar (SCHNEIDER; FROGGATT, 2022).

2.2 ENERGIA NUCLEAR NO BRASIL.

 A tecnologia nuclear, apesar de suas diversas aplicações no campo civil, nasceu ligada a interesses militares. As primeiras pesquisas brasileiras na área nuclear foram realizadas na década de 30, mas foi a partir de 6 de agosto de 1945, com o ataque nuclear sobre Hiroshima, que o interesse sistemático por tal questão se concretizou no Brasil. Durante a segunda guerra mundial, devido ao estrondoso projeto Manhattan, os norte-americanos eram os únicos detentores da tecnologia nuclear. E em julho de 1946 foi promulgada a lei MacMahon, pela qual se restringia ao máximo o intercâmbio de informações sobre questões nucleares com outros países (KURAMOTO, 2002)

A partir de 1955, o Governo entrou no setor investindo em sua modernização e estruturando-o sobre um conjunto de empresas públicas, resultando rapidamente a expansão da capacidade de geração de energia chegando atingir 93.000 MW no ano de 2005, consequentemente estimulou o desenvolvimento da tecnologia nacional nas áreas da engenharia de centrais hidroeléctricas, indústria de materiais elétricos, componentes mecânicas e eletrônica de instrumentação e controle (CARVALHO, 2014).

Segundo Carvalho (2014) em 1956 foi criada o Instituto de Energia Atômica (IEA), após 23 anos da sua criação a IEA passou a se chamar IPEN (Instituto de Pesquisa Energética e Nucleares, na qual é gerido atualmente pela Comissão Nacional de Energia Nuclear, já 1971 o governo Brasileiro decidiu implantar uma Central Nuclear de 750 MW no município de Angra dos Reis, no Estado do Rio de Janeiro, junto foi criado a Companhia Brasileira de Tecnologia Nuclear, com atribuições ampliadas para planejar e implantar no país um programa de geração Eletronuclear.

  Após 4 anos da implementação a Companhia Brasileira de Tecnologia Nuclear foi extinta e em seu lugar foi criada a Nucleares Brasileira (Nuclebrás) em clima de negociação deu origem ao acordo nuclear com a Alemanha com objetivo de promover com auxílio técnico alemã o desenvolvimento da indústria nuclear do Brasil, restringiu se a coordenar um programa de importação de treinamento de pessoal e equipamentos, com finalidade a construção das duas centrais termonucleares em Angra dos reis e uma fábrica de componentes pesados na cidade de Itaguaí no Estado do Rio de Janeiro (CARVALHO, 2012).

O Plano Nacional de Energia do Brasil conta com a construção de 4 reatores nucleares para auxiliar Angra I, II, III, o que aumentaria a participação da energia nuclear para 7,4 % até 2030. Com a justificativa para expandir a matriz energética com a contribuição da energia nuclear é utilizado o argumento que a energia gerada em usina nuclear supre a eletricidade de base complementando a geração hidroelétrica. Uma outra justificativa é de que o Brasil possui uma reserva de minério de urânio aproximadamente em 300 mil toneladas, assim elevando a geração de energia nuclear. As reservas brasileiras representam 6% das reservas mundiais. O Brasil possui um custo inferior a 130 dólares/Kg U, o que pode conduzir o país a se tornar auto suficiente nessa área ou tornar- se em um exportador de urânio (GOLDEMBERG, 2011).

 A usina Angra I, do tipo PWR, foi a primeira usina nuclear brasileira a entrar em operação em 1985, e sua capacidade de geração atual é de 640 MW (ELETRONUCLEAR, 2023).

A segunda usina nuclear brasileira, PWR com de tecnologia alemã da Siemens/KWU (hoje, Framatome), fruto do acordo nuclear entre Brasil e Alemanha, assinado em 1975, Angra II, começou suas operações em 2001. Com capacidade de 1350 MW (ELETRONUCLEAR, 2023).

Angra III será a terceira usina da Central Nuclear Almirante Álvaro Alberto (CNAAA), quando entrar em operação comercial, a nova unidade com potência de 1.405 megawatts, será capaz de gerar mais de 12 milhões de megawatts-hora por ano, Angra III é irmã gêmea de Angra II. O progresso físico global do empreendimento é de 65%. As obras da usina nuclear de Angra III foram retomadas em novembro do ano passado, com expectativa de conclusão em 2027 (ELETRONUCLEAR, 2023).

Para Montalvão (2012), o Brasil vem conseguindo manter o perfil renovável de sua matriz de energia elétrica e, prevê até um aumento da participação de renováveis e de energia termonuclear na potência instalada e a consequente redução das fontes fósseis. Abaixo pode-se verificar nas Figuras 1 e 2 respectivamente, a oferta interna de energia elétrica por fonte e o plano decenal de expansão de energia até 2031 segundo a EPE demonstrando o esforço brasileiro para reduzir a emissão dos gases de efeito estufa (GEE).  

Fonte: Empresa de pesquisa energética -EPE (2021)

FIGURA 2 – PLANO DECENAL DE EXPANSÃO DE ENERGIA 2031

Fonte: EPE (2023)

Duas premissas guiam a escolha da matriz de energia do Brasil: 

1.  a manutenção do perfil renovável da matriz e a redução das emissões de GEE. Isso impõe o aproveitamento dos potenciais hidráulicos, das fontes eólicas, biomassa, solar, bem como a construção de usinas termelétricas complementares para garantir a segurança energética;

2.  a diversificação da matriz de energia, privilegiando o aproveitamento de todas as fontes de energia disponíveis. Isso implica o uso de carvão mineral, gás natural, pastilhas de urânio levemente enriquecido, fontes eólicas, maremotriz, biomassa, resíduos sólidos urbanos (MONTALVÃO, 2012)

Na figura 3 e 4 respectivamente, é demonstrado graficamente a participação de fontes renováveis presentes tanto na matriz energética brasileira, como também, na matriz elétrica brasileira.

FIGURA 3 – MATRIZ ENERGÉTICA BRASILEIRA 2021

Fonte: EPE (2023)

FIGURA 4 – MATRIZ ELÉTRICA BRASILEIRA 2021

Fonte: EPE (2023)

2.3   USINA NUCLEAR (TERMOELÉTRICA)

2.3.1 REATORES NUCLEAR

Os reatores nucleares são dispositivos que utilizam a fissão nuclear para gerar energia térmica, que é então convertida em energia elétrica. São considerados uma fonte de energia limpa, pois não emitem gases de efeito estufa durante a geração de eletricidade, e sua produção é capaz de atender às necessidades energéticas de uma grande população (FONSECA, 2006).

O que de fato torna o urânio indicado para o uso como combustível é a quantidade de energia que libera ao ser fissionado, a fissão do núcleo raramente ocorre de forma natural na natureza, mas se bombardearmos o núcleo pesados com um nêutron indicamos a prática da fissão, ao ser bombardeado o núcleo se torna instável, ao controlar o número de nêutrons produzidos e quantidade de 235U, pode-se controlar a taxa de fissão ao longo do tempo essa reação em cadeia, processo utilizado em um reator nuclear. (GONÇALVES; ALMEIDA, 2005)

O enriquecimento é o processo de aumentar a proporção de urânio-235 físsil no urânio natural de 0,7%, normalmente para cerca de 3% a 4%, a tecnologia inicialmente adotada e comercializada era uma tecnologia de difusão gasosa e era necessária uma enorme quantidade de eletricidade (MURAKAMI, 2021).

Ao longo dos anos, desde a década de 1950, foram inúmeros os desenvolvimentos de reatores nucleares, dos quais uma boa parte ficou somente para pesquisa ou em protótipo (FONSECA, 2006).

A maioria dos reatores nucleares em operação ativa foi construída durante a “era de ouro” da energia nuclear no período de 1965 a 1990, muito dos reatores em funcionamento começaram a operar há 30 ou 40 anos atrás (GOLDEMBERG, 2011).

Quando o assunto é geração de energia nuclear, o Brasil é um dos poucos países que domina todo o processo de fabricação dos combustíveis para uso nas usinas nucleares, ou seja, o processo de enriquecimento isotópico do urânio por ultracentrifugação.(GONÇALVES; ALMEIDA, 2005)

O principal motivo que determina o tipo de reator é a combinação da forma do combustível por exemplo; metal, líquido ou óxido e moderador/refrigerante (MURAKAMI, 2021).

Segundo Goldemberg (2011), o Brasil já domina a tecnologia do ciclo de combustível, principalmente a fase  do enriquecimento, na qual possui uma unidade de enriquecimento em Resende , cuja a conclusão não tem data definida, esta unidade deverá suprir 60% dos combustíveis consumido na usina de Angra I e II, para o enriquecimento de urânio necessita uma instalação considerável , e o custo é de cerca 1 bilhão de dólares, uma carga para o reator do modelo de Angra II pode custar cerca de 10 milhões de dólares no mercado internacional. 

A partir de 1º de julho de 2022, um total de 411 reatores nucleares, excluindo desligamentos a longo prazo, estavam em operação em 33 países, quatro unidades a menos do que em WNISR 2021, sete a menos do que em 1989 e 27 abaixo do pico de 438 unidades em 2002. A capacidade nominal líquida de geração de eletricidade nuclear diminuiu em 2021 em relação ao ano anterior em 0,4 GW. Até meados de 2022, a capacidade de operação atingiu o mesmo nível de meados de 2021, totalizando 369 GW, representando um pico ligeiramente acima do recorde de 367 GW no final de 2006 (SCHNEIDER; FROGGATT, 2022).

 2.3. 2 REATOR NUCLEAR TIPO PWR

 A sigla PWR (termo, em inglês, para o reator a água pressurizada), é o tipo de reator usado nas usinas nuclear do Brasil, o combustível utilizado é o urânio enriquecido a 3,5%, ou seja, o urânio encontrado na natureza contém 0,7% do isótopo 235U, e para chegar a concentração de 3,5% precisa ser ‘enriquecido’ se compararmos a confecção de uma bomba nuclear é necessário um enriquecimento acima de 90% (GONÇALVES; ALMEIDA, 2005).

É a configuração de reator mais difundida no mundo, com um total de 268 unidades instaladas em 2003, onde sua maioria encontra-se operando nos Estados Unidos, França, Japão e Rússia. Utiliza o Urânio enriquecido (UO2) como combustível e água como refrigerante e também como moderador. Atualmente existem 18 fabricantes de reatores do tipo PWR, cujas potências nominais mais comumente adotadas são 600 e 1350 MW elétricos (FONSECA, 2006).

A figura 5 abaixo, apresenta um reator PWR. A característica básica de uma unidade PWR é a água de refrigeração pressurizada (circuito primário), mantendo sempre sua fase líquida e sua energia trocada no gerador de vapor, dando origem ao circuito secundário (vapor) que impulsiona a turbina. Como esta configuração é a adotada nas unidades Angra 1 e 2 (FONSECA, 2006).

FIGURA 5 – CONFIGURAÇÃO BÁSICA DE UM REATOR PWR

FONTE: (FONSECA, 2006)

De acordo com o Murakami (2021), a primeira unidade de cada tipo de reator que entrou em operação da década de 1950 até a primeira metade da década de 1960 se enquadra na categoria de reatores “Geração I”, enquanto as unidades subsequentes são reatores “Geração II”.

Um reator de água leve (LWR) é o tipo de reator muito comum no mundo e usa óxido de urânio (o urânio-plutônio) como combustível e água leve como moderador e possivelmente continuará a ser a principal tecnologia de energia nuclear em meados do século XXI (MURAKAMI, 2021).

Nos EUA, através do programa “Atoms for Peace”, a Divisão de Reatores Navais da antiga Comissão de Energia Atômica (AEC) deu início ao desenvolvimento da usina de Shippingport, com o uso do reator do tipo PWR de 68 MW(e), que atingiu a criticalidade em 2 de dezembro de 1957, exatamente 15 anos após a criticalidade do primeiro reator nuclear, construído pela equipe de Enrico Fermi. Shippingport foi concebida com dois objetivos principais: demonstrar a produção de eletricidade e servir como um laboratório de desenvolvimento científico e tecnológico, depois de 20 anos em operação o núcleo do reator foi substituído e uma camada externa (blanket) de tório e U233 foi adicionada, tornando-se do tipo LWBR (reator regenerador breeder – a água leve pressurizada). Essa usina continua com operação ativa, e se enquadra na geração I (CARAJILESCOV; MOREIRA, 2008). 

As unidades termonucleares Angra 1 e 2 tem projetos distintos oriundos da Westhinghouse (origem americana) e da KWU/Siemens (origem européia) respectivamente, porém as concepções básicas são similares, uma vez que o projeto europeu é oriundo da Westhinghouse. Uma unidade termonuclear do tipo PWR é composta basicamente por três circuitos: primário, secundário e terciário, conforme mostrado na figura 6 (FONSECA, 2006).

FIGURA 6 – DIAGRAMA ESQUEMÁTICO GERAL DE UMA UNIDADE PWR – 4 LOOPS

FONTE: (FONSECA, 2009)

Segundo Fonseca (2006), o circuito primário de um reator PWR (reator de água pressurizada) é composto pelo vaso de pressão, que contém o núcleo do reator e o refrigerante (água), e pelos tubos que conduzem o fluido até o gerador de vapor, o  núcleo é composto por varetas de combustível nuclear, que contém pastilhas de material físsil, e pelas barras de controle, responsáveis por regular a reação nuclear, o refrigerante é pressurizado para evitar a sua ebulição, permitindo que a água alcance altas temperaturas (até 330°C) sem se vaporizar. Após percorrer o núcleo, o fluido é direcionado para o gerador de vapor, onde é utilizado para aquecer outro circuito de água, que é convertida em vapor e é utilizada para girar as turbinas que geram eletricidade. Destaca-se que o circuito primário é fundamental para a segurança do reator, pois impede a liberação de material radioativo para o ambiente. 

O circuito secundário de um reator PWR (reator de água pressurizada) é responsável por receber o calor gerado no circuito primário através do processo de troca térmica em um trocador de calor (também chamado de gerador de vapor). Nesse processo, a água do circuito secundário é aquecida, convertida em vapor é utilizada para acionar as turbinas geradoras de eletricidade, logo após o vapor é resfriado em um condensador, onde é convertido novamente em água, que é bombeada de volta para o circuito secundário para ser aquecida novamente pelo calor gerado no circuito primário. A eficiência do circuito secundário está diretamente relacionada com a eficiência do gerador de vapor e da turbina, e é fundamental para a produção de energia elétrica em um reator PWR (FONSECA, 2006).

O reator PWR é amplamente utilizado em países como Estados Unidos, França, Japão e China, e é considerado uma tecnologia consolidada e confiável. No entanto, ele também discute desafios associados à segurança e ao gerenciamento de resíduos nucleares, que precisam ser abordados de forma cuidadosa e responsável para garantir a sustentabilidade da energia nuclear como uma opção de geração de energia no futuro  (MURAKAMI, 2021).

2.3.3 REATOR NUCLEAR TIPO BWR 

O reator BWR (Boiling Water Reactor) é um tipo de reator nuclear que utiliza água como refrigerante e moderador, sendo que a água é aquecida até entrar em ebulição e produzir vapor que move as turbinas geradoras de eletricidade, o núcleo do reator BWR é composto por elementos combustíveis, que contêm pastilhas de urânio enriquecido, e por barras de controle, que regulam a reação nuclear e a produção de calor, a água que circula no circuito primário é aquecida pelo núcleo do reator e se transforma em vapor, que é conduzido para as turbinas através de um conjunto de tubos, após mover as turbinas, o vapor é resfriado em um condensador, onde se transforma novamente em água e retorna ao circuito primário para reiniciar o ciclo. O reator BWR é utilizado em diversas usinas nucleares ao redor do mundo, sendo que sua segurança e eficiência são constantemente avaliadas e aprimoradas por pesquisas e estudos científicos (FONSECA, 2006).

Com um total de 94 unidades instaladas em 2003, onde sua maioria encontra-se em operação nos Estados Unidos, Japão e Suécia, utiliza o urânio enriquecido (UO2) como combustível e a água como refrigerante e moderador. Há aproximadamente oito fabricantes deste tipo de usina, disponíveis nas potências de 600 e 1300 MW elétricos. Suas características são parecidas com as de uma unidade PWR, mas a principal diferença de uma BWR é a inexistência de um gerador de vapor separado, uma vez que a água (não pressurizada) entra em ebulição no circuito primário e este vapor produzido é encaminhado diretamente para a turbina. conforme mostrado na figura 5 (FONSECA, 2006).

De acordo com Fonseca (2006), onde pode-se visualizar na figura 7, o circuito primário de um reator BWR (Boiling Water Reactor) é composto por um vaso de pressão que contém a água que circula pelo núcleo do reator, onde ocorre a fissão nuclear essa água é aquecida a altas temperaturas e pressões, chegando a cerca de 285°C e 70 atmosferas, e é conduzida através de tubulações até um conjunto de turbinas que transforma a energia térmica em energia elétrica. O circuito primário também inclui uma bomba principal que pressuriza a água e a injeta no núcleo do reator, e um sistema de resfriamento que mantém a temperatura sob controle.

FIGURA 7- CONFIGURAÇÃO BÁSICA DE UM REATOR BWR.

FONTE: (FONSECA, 2006)

Os principais sistemas e componentes do reator, incluindo o núcleo do reator, o sistema de refrigeração, o sistema de controle, o sistema de segurança e o sistema de proteção ambiental, enfatiza a importância da segurança em todas as etapas do projeto e operação do reator, incluindo a prevenção de acidentes, a minimização dos danos em caso de acidente e a gestão de resíduos nucleares (MURAKAMI, 2021). 

 2.4 ELEMENTOS NUCLEARES

De acordo com Goldemberg (2011), elementos nucleares são átomos que possuem um núcleo instável, ou seja, um núcleo que pode sofrer fissão nuclear ou emitir radiação. Esses elementos são utilizados em reatores nucleares para gerar energia elétrica ou em armas nucleares para fins militares. O principal elemento nuclear utilizado em reatores nucleares é o urânio, que pode ser encontrado em diferentes formas na natureza, sendo a mais comum o urânio-238. Para uso em reatores, o urânio deve ser enriquecido, ou seja, o teor de urânio-235 deve ser aumentado para que a reação em cadeia possa ocorrer.  

Além do urânio, existem outros elementos nucleares utilizados em reatores, como o plutônio e o tório, que também precisam ser enriquecidos para serem utilizados como combustível. (GOLDEMBERG, 2011)

No Brasil, são encontrados diversos elementos nucleares em suas rochas e minerais o país é considerado um dos mais ricos em recursos nucleares do mundo, possuindo reservas de urânio, tório, nióbio, entre outros elementos, segundo a Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN), o Brasil possui a 6º maiores reservas de urânio do mundo, com cerca de 310 mil toneladas, concentradas principalmente nos estados da Bahia, Ceará e Minas Gerais (CNEN, 2018).

Devido à grande quantidade de elementos nucleares encontrados no país, o Brasil possui um programa nuclear que visa o aproveitamento desses recursos, bem como o desenvolvimento de tecnologias nucleares para fins pacíficos, como a geração de energia elétrica e aplicações médicas. No entanto, a utilização desses elementos também traz desafios, como a segurança nuclear e o gerenciamento dos resíduos nucleares produzido (INB, 2020)

O combustível (elementos nucleares) normalmente assume a forma de tubos estreitos de 4 m de comprimento aproximadamente de 1 cm de diâmetro preenchidos com pequenas pastilhas de dióxido de urânio.  Centenas desses tubos, conhecidos como varetas de combustível, são agrupados para formar conjuntos de varetas de combustível e centenas de conjuntos trabalham juntos em um reator nuclear comercial para produzir intenso calor e vapor, partindo de núcleos de urânio para acionar turbinas que geram eletricidade (JACOBY, 2020).

2.5 RESÍDUOS NUCLEARES

Os resíduos nucleares são um dos maiores desafios enfrentados pela indústria nuclear em todo o mundo. Eles são gerados a partir da produção de energia nuclear, bem como de outras aplicações da tecnologia nuclear, como a medicina e a pesquisa científica. Esses resíduos podem ser altamente radioativos e permanecer perigosos por milhares de anos, exigindo cuidados especiais para sua gestão adequada e segura (IEEE, 2014)

Segundo IEEE (2014), resíduos nucleares são materiais radioativos que são gerados durante o processo de produção de energia nuclear, bem como em outras atividades que envolvem o uso de materiais nucleares, como medicina nuclear, pesquisa e desenvolvimento. Esses materiais podem incluir combustível nuclear usado, rejeitos líquidos e sólidos, bem como equipamentos e estruturas contaminados, eles podem permanecer radioativos por períodos que variam de décadas a milhares de anos e, portanto, precisam ser gerenciados adequadamente para proteger a saúde pública e o meio ambiente.

Segundo a Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN), no Brasil, os resíduos nucleares são classificados em três categorias: classe A, que inclui materiais com baixa atividade e vida curta; classe B, que inclui materiais com atividade média e vida curta ou baixa atividade e vida longa; e classe C, que inclui materiais com alta atividade e vida longa (CNEN, 2016).

Para a gestão desses resíduos, existem diversas estratégias, como o armazenamento em tanques subterrâneos, a deposição em repositórios geológicos profundos e a reutilização de materiais. No entanto, todas essas opções apresentam desafios técnicos, econômicos e políticos que precisam ser enfrentados (MATA; MESQUITA; VASCONCELOS, 2015).

Os resíduos nucleares têm sido um desafio para a humanidade há décadas, devido às suas características perigosas e radioativas. A gestão de resíduos nucleares é um problema global, já que os resíduos são gerados em todo o mundo, requer soluções de longo prazo, pois envolve diferentes etapas, desde o armazenamento temporário, passando pelo armazenamento intermediário até o armazenamento final em instalações geológicas profundas. Destaca-se também, a importância da colaboração internacional para lidar com a questão dos resíduos nucleares e a necessidade de se abordar os desafios políticos e econômicos associados a essa questão (ROCHA, 2020).

No Brasil, a gestão de resíduos nucleares é regulamentada pela CNEN, que estabelece as diretrizes e normas para a gestão segura desses materiais. Além disso, a empresa pública INB (Indústrias Nucleares do Brasil) é responsável pela produção e gestão dos rejeitos radioativos gerados em suas atividades (INB, 2020).  

A gestão adequada de resíduos nucleares é essencial para garantir a segurança das pessoas e do meio ambiente. É importante continuar investindo em pesquisas e desenvolvimento de tecnologias para lidar com esses materiais de forma eficiente e segura, visando minimizar os riscos e garantir um futuro sustentável (ROCHA, 2020).

Diante de todas as formas de geração de energia a nuclear é uma das que produzem menor quantidade de rejeitos e a que tem maior preocupação e o cuidado no armazenamento deles, uma das dificuldades é que os rejeitos radioativos pode durar milhares de anos, por esse motivo devem ser isolados e protegidos (GONÇALVES; ALMEIDA, 2005).

Depois de passar aproximadamente 5 anos em um reator sendo constantemente bombardeado com radiação, o combustível nuclear para de funcionar com eficiência os operadores da usina removem o combustível usado e o substituem por combustível novo.

Nesse ponto, o combustível irradiado, que ainda contém cerca de 95% de seu urânio original, é termicamente quente e perigoso porque contém uma mistura de plutônio radioativo, produtos de fissão e actinídeos as dezenas de milhares de toneladas de resíduos radioativos acumulados em usinas de energia comerciais continuam a envelhecer em locais ao redor do mundo à medida que o material perigoso e os recipientes em que ele se encontra aguardam o descarte permanente, o estoque continua crescendo (JACOBY, 2020).

Todos esses resíduos permanecem perigosamente radioativos por muitos milhares de anos. Por isso, eles devem ser descartados permanentemente, de acordo com os especialistas. Alguns países, incluindo Finlândia, Suíça e outras nações europeias, estão planejando depósitos geológicos profundos para seus resíduos nucleares (JACOBY, 2020).

2.5.1 TIPOS DE RESÍDUOS NUCLEARES.

A Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN) define os resíduos nucleares como “quaisquer materiais resultantes de atividades humanas que contenham radionuclídeos em quantidades superiores aos limites de isenção especificados em normas da CNEN e para os quais a reutilização é imprópria ou não prevista” (CNEN, 2016).

Os resíduos nucleares são classificados em três categorias principais, com base na atividade e na meia-vida dos radionuclídeos contidos:

Resíduos de baixo nível (RBN): são resíduos com atividade específica e meia-vida baixas, geralmente gerados em instalações médicas, industriais e de pesquisa, tais como agulhas de injeção, luvas, aventais, instrumentos e utensílios de laboratório, que foram contaminados com radionuclídeos. Estes resíduos são geralmente acondicionados em tambores de aço e armazenados em locais próprios para este fim, como depósitos subterrâneos ou acima do solo (CNEN, 2016).

Resíduos de médio nível (RMN): são resíduos que contêm radionuclídeos em concentrações mais elevadas do que os resíduos de baixo nível, geralmente gerados em instalações de reprocessamento de combustíveis nucleares e em reatores nucleares. Estes resíduos requerem um tratamento mais elaborado para diminuir sua atividade específica e são acondicionados em contêineres resistentes para posterior armazenamento em depósitos especiais (CNEN, 2016).

Resíduos de alto nível (RAN): são resíduos altamente radioativos, principalmente gerados no processo de reprocessamento de combustíveis nucleares e na operação de reatores nucleares. Estes resíduos têm alta atividade específica e alta taxa de geração de calor. Eles são acondicionados em contêineres resistentes e armazenados em depósitos subterrâneos profundamente enterrados em formações geológicas estáveis e seguras (CNEN, 2018).

O maior volume dos rejeitos corresponde a baixa e média atividade, que são produzidos pela medicina e indústrias, já o que tem alta atividade são os provenientes dos combustíveis utilizado nas usinas nucleares, esses resíduos são armazenados nas próprias dependências das usinas, até surgir uma solução para o armazenamento definitivo (GONÇALVES; ALMEIDA, 2005).

A aceitação local de um depósito de resíduos nucleares de alto nível é um tema crucial na gestão de resíduos nucleares. O processo de seleção e implantação de um depósito envolve várias etapas, incluindo o estudo de viabilidade, a avaliação de segurança, o licenciamento e, crucialmente, a aceitação pela comunidade local (SJÖBERG, 2004).

Diversos fatores influenciam a aceitação local de um depósito de resíduos nucleares, incluindo a confiança nas instituições responsáveis, a percepção dos riscos associados, os impactos socioeconômicos e ambientais, o envolvimento da comunidade no processo de tomada de decisão e a compensação oferecida pela implantação do depósito (SJÖBERG, 2004).

A análise dos problemas técnicos e sociais dos resíduos nucleares destaca a importância de abordagens integradas que considerem tanto os aspectos técnicos do gerenciamento dos resíduos quanto às preocupações sociais e a aceitação pública. A adoção de práticas seguras, o engajamento da comunidade e a transparência no processo de tomada de decisão são elementos fundamentais para avançar na gestão responsável dos resíduos nucleares (RAMANA, 2018).

3. METODOLOGIA

 A pesquisa realizada pode ser caracterizada como exploratória com abordagem qualitativa com base em dados secundários extraídos da literatura sobre o tema. 

3.1 Coleta de Dados

 Os dados secundários foram coletados de diferentes fontes: plataforma Google Acadêmico, SciELO e órgão governamentais, como IPEN, ELETROBRAS e Central Nuclear Almirante Álvaro Alberto (Usina Nuclear de Angra dos Reis -RJ). Os descritores utilizados foram: Energia nuclear, usina nuclear, elementos e resíduos nucleares, tipos de armazenamentos nucleares. Após inserir as palavras chaves em português e inglês foram selecionados os artigos com mais relevância. Utilizou-se um período de pesquisa entre os anos de 2000 até o momento atual de 2023.

 As informações coletadas dos órgãos governamentais foram dados relacionado a estatística da matriz energética brasileira assim como matriz elétrica.

3.2 Análise dos Resultados

Os critérios foram estabelecidos para avaliar as estratégias de armazenamento, incluindo segurança, eficiência operacional, custo, sustentabilidade e gerenciamento de resíduos, assim como vantagem e desvantagem de cada modelo de armazenamento. Esses critérios foram baseados em normas internacionais, regulamentos e literatura especializada.

 Uma análise comparativa foi realizada para avaliar as estratégias de armazenamento de rejeitos nucleares com base nos critérios estabelecidos. Dados relevantes foram coletados a partir de estudos de caso, relatórios técnicos e pesquisas acadêmicas. As informações foram organizadas e analisadas sistematicamente.

4. RESULTADOS

 Após a revisão bibliográfica detalhada dos artigos sobre todo o sistema de produção de energia elétrica por meio da energia nuclear, passando pelos processos de   abastecimento, funcionamento, operação, armazenamento e gestão de resíduos nucleares. Pode-se concluir que existem vários métodos e tecnologias disponíveis para a imobilização e armazenamento seguro de resíduos nucleares. Cada método tem suas vantagens e desvantagens, e a escolha do método depende de vários fatores, incluindo as características dos resíduos nucleares, a localização do local de armazenamento e considerações de segurança. Os métodos de armazenamento predominante entre a

A maioria das usinas nucleares são:  o armazenamento em piscinas, armazenamento com uso de container seco e o armazenamento subterrâneo por meio de depósitos geológicos.   A gestão de resíduos nucleares é um desafio significativo para a indústria nuclear em todo o mundo. O armazenamento adequado desses resíduos é essencial para garantir

a segurança das pessoas e do meio ambiente, uma vez que muitos dos resíduos nucleares permanecem radioativos por períodos extremamente longos.

No Brasil, a Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN) é responsável pela gestão de resíduos nucleares. O país possui apenas uma instalação de armazenamento de resíduos nucleares em funcionamento, o Repositório Nacional de Rejeitos Radioativos (RNR), localizado em uma área remota em São Paulo. O RNR é um depósito subterrâneo que armazena rejeitos radioativos de baixo e médio nível de atividade gerados por atividades nucleares no país, como hospitais, indústrias e universidades. O RNR é projetado para receber resíduos radioativos por cerca de 100 anos e será posteriormente lacrado.

 Em outros países, existem abordagens diferentes para o armazenamento e gestão de resíduos nucleares, alguns países optam por armazenar os resíduos em instalações temporárias enquanto buscam uma solução de longo prazo, outros optam por armazenar permanentemente os resíduos nucleares em depósitos geológicos profundos. Um exemplo de armazenamento temporário é a instalação de La Hague, na França, que armazena resíduos nucleares de alta atividade e reprocessa combustível nuclear irradiado. A instalação de La Hague é considerada uma referência no mundo e é capaz de armazenar resíduos por um período limitado, até que uma solução de longo prazo seja encontrada. Já o armazenamento permanente em depósitos geológicos profundos é adotado em países como Finlândia e Suécia. Na Finlândia, a construção do depósito geológico profundo de Onkalo está em andamento. Esse depósito é projetado para armazenar resíduos nucleares de alta atividade por pelo menos 100 mil anos. O depósito é construído em rochas de granito sólido e é selado com argila. A opção de armazenamento permanente em depósitos geológicos profundos é considerada uma das soluções mais seguras e eficazes a longo prazo, mas requer uma infraestrutura significativa e pode ser objeto de preocupações com relação à segurança. (IAEA, 2021)

4.1 Tipo de armazenamento.

Os diferentes tipos de resíduos nucleares, incluindo resíduos de baixo, médio e alto nível, possuem propriedades químicas e físicas que que devem ser estabelecidas para garantir a estabilidade do material de imobilização ao longo do tempo incluindo a vitrificação, a imobilização em matrizes cerâmicas, a imobilização em cimentos e a imobilização em ligantes poliméricos. São levadas em consideração a segurança e desempenho a longo prazo associadas à imobilização de resíduos nucleares, é importante a seleção do local de armazenamento, considerando a geologia, hidrologia e outras características ambientais (LEE; KALMYKOV; OJOVAN, 2019).

O armazenamento em piscina é um método comumente utilizado para o armazenamento temporário de elementos combustíveis queimados em reatores nucleares. Nesse método, os elementos combustíveis queimados são transferidos para piscinas de armazenamento que contêm água como meio de resfriamento e proteção contra radiação (RODRIGUES, 2016)

O armazenamento em recipientes secos é um método de armazenamento de combustível nuclear queimado que envolve a remoção do combustível da piscina de resfriamento e acondicionamento em recipientes projetados especificamente para esse fim. Diferentemente do armazenamento em piscina, no qual o combustível é resfriado e armazenado submerso em água, o armazenamento em recipientes secos utiliza recipientes selados e herméticos que não requerem o uso contínuo de água para o resfriamento (ROMANATO, 2005).

Essa abordagem de armazenamento traz benefícios como a redução dos riscos associados à exposição à água, a simplificação dos processos de manutenção e gerenciamento, a minimização do risco de vazamentos e a flexibilidade na localização dos depósitos de armazenamento. Além disso, o armazenamento em recipientes secos é considerado uma medida adicional de segurança, fornecendo uma camada adicional de proteção contra eventos externos, como terremotos, inundações ou ataques terroristas (ROMANATO, 2005)

O armazenamento geológico é uma estratégia de gestão de resíduos radioativos que envolve a deposição desses materiais em formações geológicas adequadas. É considerado uma das opções mais seguras e eficazes para o gerenciamento de rejeitos radioativos de longo prazo. Ele se baseia na seleção e preparação de formações geológicas estáveis, como rochas profundas, onde os rejeitos radioativos podem ser armazenados de forma isolada e protegida do ambiente humano e da biosfera (FILHO et al., 2019)

Essas formações geológicas devem apresentar características favoráveis, como baixa permeabilidade, estabilidade estrutural, baixa atividade sísmica e ausência de recursos minerais exploráveis. Além disso, devem ser capazes de fornecer barreiras naturais que reduzam a migração dos rejeitos radioativos para o meio ambiente ao longo de períodos geológicos. No contexto do Programa Nuclear Brasileiro, o armazenamento geológico de rejeitos radioativos é uma das opções consideradas para a gestão desses materiais (FILHO et al., 2019)

 Enfatizar a importância da avaliação de risco em relação ao armazenamento de combustível nuclear gasto e recomenda que os países que possuem usinas nucleares realizem revisões de segurança em suas instalações de armazenamento de combustível nuclear gasto , essas recomendações incluem a necessidade de melhorar a transparência e a troca de informações entre os países, a adoção de padrões internacionais mais rigorosos para o armazenamento de combustível nuclear gasto e a implementação de melhores práticas de segurança em instalações de armazenamento, bem como as lições aprendidas após o acidente nuclear de Fukushima (IAEA, 2020).

4.2 Análise Comparativa entre os Métodos de Armazenamento de Rejeitos Nucleares

A Tabela 01 apresenta um comparativo com as vantagens e desvantagens dos métodos de armazenamentos dos resíduos e elementos nucleares. 

Tabela 01 – Comparação dos métodos

Conclui-se que todos os métodos de armazenamento possuem alto grau de segurança, e o que se diferencia é o custo que cada forma de armazenamento necessita para sua implantação. Alguns estudos seguem em andamento pelo mundo para buscar melhorias nos métodos para torná-los mais eficientes, mantendo o nível de segurança a fim de evitar acidentes, que do ponto de vista histórico são raros, mas com efeitos graves e podem ser sentidos por décadas e até séculos após o ocorrido, assim como o impacto socioeconômico. 

Embora a energia nuclear apresenta desafios em relação à segurança e à gestão de resíduos, ela também tem o potencial de fornecer energia de baixa emissão de carbono e contribuir para a transição energética em direção a um futuro mais sustentável. Portanto, é necessário um debate mais amplo e equilibrado sobre o papel da energia nuclear na matriz energética global, considerando suas vantagens e desvantagens e buscando soluções para os desafios que ela apresenta

Considerações Finais

 Neste artigo, explorou-se o tema do armazenamento dos resíduos e elementos nucleares, abordando os desafios e as considerações cruciais associadas a essa questão complexa. Durante a investigação, foram examinados as diferentes abordagens e soluções propostas para o armazenamento seguro e de longo prazo dos resíduos nucleares. Ficou claro ao longo do artigo que o armazenamento adequado dos resíduos nucleares é uma preocupação global, que exige a implementação de medidas rigorosas e a aplicação de tecnologias avançadas. A comunidade internacional, demonstra a necessidade de desenvolver estratégias eficazes que minimizem os riscos para o meio ambiente ao mesmo tempo em que garantem a proteção de futuras gerações.

 Discutiu-se também a importância da transparência e do envolvimento das partes interessadas, incluindo a comunidade local e os especialistas em energia nuclear, na tomada de decisões relacionadas ao armazenamento nuclear. A participação ativa e a comunicação aberta são fundamentais para construir a confiança e garantir que as preocupações legítimas sejam ouvidas e abordadas.

 Tem-se em vista a necessidade contínua de pesquisa e inovação para aprimorar as técnicas de armazenamento nuclear e buscar alternativas mais seguras e eficientes. A colaboração entre os países e a troca de conhecimento são essenciais para impulsionar o progresso nessa área e garantir que as melhores práticas sejam compartilhadas globalmente. Por fim, ressalta-se que o armazenamento nuclear é uma responsabilidade de longo prazo que requer um compromisso contínuo e um planejamento cuidadoso. À medida que o mundo avança em direção a um futuro energético mais sustentável, é crucial a consideração de todas as opções disponíveis e soluções que equilibrem os benefícios e os riscos associados ao uso da energia nuclear.

Com uma abordagem aberta, cientificamente embasada e socialmente responsável, é possível enfrentar os desafios do armazenamento nuclear de forma eficaz. Ao adotar políticas e regulamentações adequadas, investir em pesquisa e desenvolvimento e promover a conscientização pública, pode-se garantir que o armazenamento nuclear seja realizado de maneira segura e proteja o bem-estar das gerações presentes e futuras.

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