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SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA Energia Nuclear 4ª Aula 1
NUCLEAR ENERGY
Sumário da 4ª aula
1. Introdução à Fissão Nuclear
2. Elementos cindíveis
3. Reactor nuclear convencional
4. Central nuclear convencional
SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA
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SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA Energia Nuclear 4ª Aula 2
1. INTRODUÇÃO À FISSÃO NUCLEAR• As reacções de fissão ocorrem quando o núcleo pesado de um
elemento cindível captura um neutrão.
• Os neutrões de baixa energia (lentos ou térmicos) podem causar reacções de fissão somente nos isótopos de urânio e plutónio com um número ímpar de neutrões (U233, U235 ou Pu239).
• A fissão de núcleos com um número par de neutrões é apenas possível quando o neutrão incidente possui energia maior que 1 MeV
Secções eficazes de colisão de neutrões para a fissão dos núcleos de urânio e plutónio
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SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA Energia Nuclear 4ª Aula 3
• A probabilidade de uma reacção de fissão é proporcional à secção eficaz de colisão, a qual aumenta quando diminui a energia do neutrão.
• É por isso que num reactor nuclear convencional existe um moderador, cuja função consiste em reduzir a energia dos neutrões até aos valores da energia cinética média dos átomos cindíveis que os rodeiam.
• Um reactor rápido não possui moderador.
Distribuição, em percentagem, dos produtos resultantes da fissão do U235
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SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA Energia Nuclear 4ª Aula 4
2. ELEMENTOS CINDÍVEIS
• Os elementos cindíveis usados em reacções de fissão nuclear são o urânio, o plutónio e o tório.
• O urânio é um elemento cerca de 1.7 vezes mais denso que o chumbo, composto por átomos com um núcleo com 92 protões e um número variável e elevado de neutrões: 143, 233, 235 ou 238 consoante o isótopo considerado.
• O U235 é um isótopo cindível porque o seu núcleo é hit por um neutrão lento, formando-se como produtos das reacções elementos com massas atómicas entre 95 e 135, tais como, Ba, Kr, Sr, Cs, I e Xe.
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SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA Energia Nuclear 4ª Aula 5
• Algumas reacções típicas são:
U235 + n Ba144 + Kr90 + 2n + energia
U235 + n Ba141 + Kr92 + 3n + 170 MeV
U235 + n Te139 + Zr94 + 3n + 197 MeV
• Os isótopos de bório e de krypton decaiem posteriormente para isótopos mais estáveis de neodynium e ytrium, através da emissão de vários electrões do núcleo (decaimento-b). É este decaimento, com alguns raios- que lhe estão associados, que tornam os produtos da fissão muito radioactivos.
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• O U238 não é cindível num reactor convencional, mas é um isótopo fértil na medida em que se transforma num elemento cindível (P239) através da captura de um neutrão.
U238 + n U239 Np239+ Partícula- Pu239 + Partícula- Pu239 + n Pu240
Pu240 + n Pu241 American241 + Partícula-
• O plutónio P239 comporta-se num reactor como o U235, isto é, é condível através da captura de um neutrão térmico.
• Contudo estas reacções de fissão têm uma fluência de neutrões ligeiramente maior.
• As reacções de fissão do plutónio que ocorrem num reactor nuclear são responsáveis por cerca de um terço da energia gerada.
• As massas dos produtos destas reacções estão distribuídas à volta de 100 e 135.
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SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA Energia Nuclear 4ª Aula 7
• As reacções de fissão nuclear podem ser usadas nas bombas nucleares ou de uma forma controlada para benefício da Humanidade.
• Neste último caso, podemos utilizar quer a energia quer a radiação e/ou os neutrões produzidos nestas reacções.
• A energia libertada é usada na:
Propulsão de submarinos e foguetões nucleares,
Geração de electricidade nas actuais centrais nucleares
Dessalinização da água dos oceanos
Produção de hidrogénio para alimentar uma nova geração de veículos motorizados.
• Os neutrões e a radiação são utilizados em aplicações científicas ou médicas.
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• Henri Becquerel identificou, em 1896, a radiação natural do urânio
• A primeira experiência de fissão nuclear foi realizada em 1938 em Berlim por Otto Hahn, Lise Meitner e Fritz Stassmann.
• A primeira reacção em cadeia foi feita em 1942, em Chicago, por Enrico Fermi.
• A geração de electricidade (100 kW) foi conseguida pela primeira vez em 1951, num reactor da classe EBR-1, em Arco, nos Estados Unidos
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3. REACTOR NUCLEAR CONVENCIONAL
• Um reactor nuclear convencional é um dispositivo blindado onde reacções de fissão nuclear em cadeia são iniciadas, controladas e mantidas a uma taxa estacionária.
• As suas componentes principais são:
O combustível, normalmente U235, U238, Pu239, T232 ou misturas destes três elementos como, por exemplo, a mox, uma mistura de óxidos de urânio e plutónio;
O moderador, normalmente água, água pesada, hélio, grafite ou sódio metálico, o qual reduz a energia dos neutrões até que eles atinjam a energia cinética média dos átomos cindíveis que os rodeiam. Num reactor que usa urânio natural, o moderador deve ser grafite ou água pesada. Nos reactores que operam com urânio enriquecido pode ser usada água. Os reactores nucleares estão preparados para, nas situações de emergência, adicionarem boro à água, já que aquele elemento ajuda a controlar as reacções de fissão.
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Esquema de uma central nuclear, baseada num reactor de água pressurizada
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SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA Energia Nuclear 4ª Aula 11
O permutador de calor, normalmente água, água pesada, dióxido de carbono, hélio ou sódio metálico, o qual transfere a energia produzida pelas reacções de fissão para a turbina;
O reflector, normalmente, água, água pesada, grafite ou urânio, o qual aumenta a eficiência do reactor através da diminuição das perdas de neutrões;
A blindagem, feita normalmente com betão, chumbo, aço ou água, a qual evita a emissão de radiação gama e de neutrões rápidos;
As barras de controlo, usualmente de cádio ou boro, as quais absorvem muito bem os neutrões de modo a controlar as reacções em cadeia;
Os sistemas de controlo e segurança.
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SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA Energia Nuclear 4ª Aula 12
• Os reactores nucleares podem ser usados para produzir:
Combustíveis nucleares (breeder reactors), neutrões e/ou outros produtos ou fontes radioactivas para aplicações científicas ou médicas (reactores de investigação);
Calor para potência nuclear para utilização em submarinos e foguetões nucleares ou para a geração de electricidade (reactores de potência).
• Há, actualmente, no mundo cerca de 900 reactores nucleares, sendo 260 do tipo reactor de investigação e 220 para alimentação de submarinos nucleares.
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SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA Energia Nuclear 4ª Aula 13
4. CENTRAL NUCLEAR CONVENCIONAL
• As centrais nucleares, convencionais, são dispositivos que geram grandes quantidades de electricidade, a partir de reacções de fissão nuclear realizadas num ou mais reactores.
• A primeira central nuclear, localizada em Obninsk, na ex-União Soviética, injectou em 1954, de uma forma experimental, 5 MW de electricidade na rede pública.
• A primeira central nuclear comercial foi instalada em Sellafield, no Reino Unido, com uma potência inicial de 50 MW, posteriormente aumentada para 200 MW.
• A potência nuclear instalada cresceu inicialmente de uma forma muito rápida, passando de menos de 1 GW em 1960 para 100 GW no final da década de 70 e para mais de 300 GW no final dos anos 80.
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SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA Energia Nuclear 4ª Aula 14
• Posteriormente, e devido ao impacte na opinião pública dos acidentes em Three Mile Island (em 1979), Chernobyl (em 1986) e Toikamura (em 1999), o ritmo de construção de novas centrais nucleares diminui fortemente, tendo mesmo alguns países (Austria (em 1978), Suécia (em 1980) e Itália (em 1987)) decidido formalmente não construir centrais nucleares ou mesmo descontinuar as já existentes.
• Mais recentemente, alguns países como, por exemplo, a China e a Índia, decidiram construir centrais nucleares, como forma de responder ao grande aumento do consumo de electricidade.
• A potência nuclear atingiu cerca de 360 GW em 2005.
• Há, actualmente, cerca de 440 centrais nucleares em operação em todo o mundo, especialmente concentradas na Europa, América do Norte e Ásia.
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País CN (nº) E (%) País CN (nº) E (%)África do Sul 2 6 Alemanha 17 31
Argentina 2 7 Arménia 1 43
Bélgica 7 56 Brasil 2 2
Bulgária 4 44 Canadá 18 15
China 10 2 Coreia do Sul 20 45
Eslováquia 7 56 Eslovénia 1 42
Espanha 8 20 Estados Unidos 103 19
Finlândia 4 33 França 59 79
Holanda 1 4 Hungria 4 37
Índia 16 3 Japão 55 29
Lituânia 1 70 México 2 5
Paquistão 2 3 Reino Unido 23 20
República Checa 6 31 Roménia 1 9
Rússia 31 16 Suécia 45 10
Suiça 5 32 Taiwan 6 20
Ucrânia 15 49
Número de centrais nucleares (CN) e o seu peso na geração de electricidade (E)
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SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA Energia Nuclear 4ª Aula 16
• Estas centrais satisfazem cerca de 7% do consumo mundial de energia, através da geração de aproximadamente 16% da electricidade consumida.
• Actualmente, o debate sobre a energia nuclear está a regressar, motivado pelos seguintes factos:
Muito provavelmente, ser difícil atingir os objectivos do Protocolo de Quioto sem o recurso a todas as energias limpas.
A indústria nuclear tem feito progressos muito significativos que tornam os actuais reactores nucleares muito mais seguros e eficientes do que os do passado.
• Em consequência deste facto, há 28 novas centrais nucleares em construção e 62 planeadas, com incidência especial na Ásia.
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SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA Energia Nuclear 4ª Aula 17
País P C País P C
Bulgária 2 China 13 5
Coreia do Norte 1 Coreia do Sul 7
França 1 Índia 4 7
Irão 2 1 Japão 11
Rússia 8 3 Ucrânia 2
Finlândia 1 Roménia 1
Centrais nucleares planeadas (P) ou em construção (C)