NUCLEAR ENERGY

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

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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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• 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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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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• 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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• 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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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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• 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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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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• 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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• 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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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)