ENERGIA NUCLEARE SUAS APLICAÇÕES

ENERGIA NUCLEARE SUAS APLICAÇÕES

Vladimir LevitVladimir Levit

2007

439 Reatores Nucleares fica em operação com potência total 372 GWe 39 reatores novos instalados 34 reatores em construção222 reatores em planejamento

> 50 anos Reatores Nucleares geram energia elétrica

Experiência > 9500 reatores – anos de trabalho

Origem principal de produção de energia nuclear

Fissão nuclear

n U U Ba Kr n Q 92235

92236

56141

3692 3*n U U Ba Kr n Q 92

23592

23656

1413692 3*

n U U Xe Sr n Q 92235

92236

54140

3894 2*n U U Xe Sr n Q 92

23592

23654

1403894 2*

Energia liberada nas reações de fissão nuclear é aproximadamente 175 MeV

Exemplos das reações de fissão nuclear

Reação em cadeia

Capacidade térmica de combustível diferente

CombustívelCapacidade térmicakWh /kg

Água (Queda de 100 m ) 2,8 x10-5

Carvão 8,2

Álcool 6,4

Petróleo 11,5

Gasolina 12,3

Gás 13,2

Hidrogênio 33,9

Nuclear 2,3x106

PaisesPopulação(milhões)

Geração EE

(109kWh)

Consumo EE per capita

(MWh/Pés/ano)

EmissãoCO2

(106 t)

% de Emissãomundial

Alemanha 82,42 593,20 7,20 857,60 3

Franca 63,33 540,24 8,53 417,75 1

Reatores de fusão

12

12

23

12

12

13

11

H H He n Q

H H H H Q

(Q = 3,25MeV)

(Q = 4,02MeV)

12

23

24

11H He He H Q (Q = 18,35MeV)

A energia liberada na fissão é 175 MeV.

A energia libertada por um núcleon em duas reações:

Em fusão: A = 2+3 = 5 E/A = 17,6/5 = 3,52 MeV. Em fissão: A = 235 E/A = 175/235 = 0,74 MeV.

Portanto a energia desprendida por grama nesta reação de fusão é cerca de 4-5 vezes maior do que na fissão.

12

13

24H H He n Q 1

213

24H H He n Q

Uma típica reação de fusão é :

onde Q vale 17,6 MeV.

Paises População(milhões)

Geração EE(109kWh)

Consumo EE per capita

(MWh/Pes)

EmissãoCO2

(106 t)

% de Emissãomundial

Todo Mundo 6 519,26 17987,31 2,76 29195,42 100

China 1 313,97 2717,50 2,07 6017,69 21

Índia 1 111,71 703,32 0,63 1293,17 4

Estados Unidos 298,44 4064,70 13,62 5902,75 20

Indonésia 231,82 125,67 0,54 280,36 1

Brasil 188,08 411,74 2,19 377,24 1

Paquistão 161,74 90,41 0,56 125,60 0

Bangladesh 147,37 22,94 0,16 42,74 0

Rússia 142,07 939,87 6,62 1704,36 6

Nigéria 131,86 22,11 0,17 101,07 0

Japão 127,52 1029,98 8,08 1246,77 4

México 107,45 236,39 2,20 435,60 2

Alemanha 82,42 593,20 7,20 857,60 3

Franca 63,33 540,24 8,53 417,75 1

Grã-Bretanha 60,61 370,89 6,12 585,71 2

Itália 58,16 288,92 4,97 468,19 2

65% 68% 68%

15 Maiores e importantes paises do mundo, 2006

Paises Geração EE(109kWh)

EmissãoCO2

(106 t)

Termoelétrico(109kWh)

Nuclear(109kWh)

Hidrelétrica(109kWh)

Eólica (109kWh)

Todo Mundo 17987,31 29195,42 11943,04 2660,26 2997,06 124,93

China 2717,50 6017,69 2225,06 54,85 431,43 3,68

Índia 703,32 1293,17 565,81 15,59 112,46 7,59

Estados Unidos 4064,70 5902,75 2884,39 787,22 289,25 26,59

Indonésia 125,67 280,36 109,82 0 9,53 0

Brasil 411,74 377,24 35,58 13,75 345,32 0,23

Paquistão 90,41 125,60 57,32 2,55 30,55 0

Bangladesh 22,94 42,74 21,57 0 1,38 0

Rússia 939,87 1704,36 619,65 144,30 173,65 0,01

Nigéria 22,11 101,07 14,47 0 7,64 0

Japão 1029,98 1246,77 633,68 288,26 84,90 1,67

México 236,39 435,60 187,23 10,32 30,09 0,06

Alemanha 593,20 857,60 364,65 158,91 19,73 29,18

Franca 540,24 417,75 52,15 427,68 55,27 2,04

Grã-Bretanha 370,89 585,71 280,38 71,68 4,56 4,01

Itália 288,92 468,19 239,13 0 36,62 2,82

Geração de Energia Elétrica por tipos, 2006

Parcela da Energia Nuclear em Geração

Nacional da Energia Elétrica

em 2001

Forças nucleares

Interação Forte

Campo Mesônico

Mésons:

Forças de Troca

Diagrama de uma Central Nuclear

ESTRATÉGIA PARA O SÉCULO

DEMANDA MUNDIAL DE ENERGIA

 1.    Grande aumento populacionalA população mundial está crescendo à razão de 100 milhões de pessoas por ano.Ate 2050 atingindo 10 bilhões de habitantes.

2.    Esperança de uma qualidade de vida melhorA qualidade de vida está relacionada com a riqueza da sociedade

3.    Necessidade de proteger o Meio-Ambiente

 

Demanda mundial de energia aumentado a 2,3% por ano nos últimos 200 anos.

1 ZJ (Z=1021 zetta) de Energia serão consumidas pelo mundo a cada ano em 2050, 3 vezes mais do que é usado atualmente. Para países pobres aumento será maior do que 5 vezes.

Estimativa da Demanda Relativa Mundial de Energia Formulada pelo Conselho Mundial de Energia (WEC)

 

1990 2050 2100

Mundo 1 1,7 – 3,1 2,3 – 4,8

  Países de alta renda 1 1,3 1,2

Países de baixa renda 1 7,0 14,7

 

Fontes principais de energia no século XXI

 1.    Combustíveis Fósseis:   Carvão   Petróleo   Gás natural  

2.    Fontes Renováveis de Energia :   Energia Hidrelétrica   Energia Solar   Biomassa   Energia Geotérmica   Energia Eólica

· Energia de Resíduos

3.    Energia Nuclear

 

Fonte 1990 2050 2100

Combustíveis fósseis

80% 70% 45%

Fontes Renováveis

7% 15% 25%

Energia Nuclear

13% 15% 30%

 Gás natural e Energia Nuclear serão as fontes dominantes em 2050.

 

Algumas Previsões de Futuro

Produção Mundial de Energia Primária em 2001

Fonte Fonte PrimárioPrimário

Valor de Valor de produçãoprodução10101515 Btu * Btu *

PorcentagePorcentagemm%%

PetróleoPetróleo 155,34155,34 38,538,5

CarvãoCarvão 96,0296,02 23,823,8

Gás NaturalGás Natural 93,5393,53 23,223,2

HidrelétricoHidrelétrico 26,7026,70 6,66,6

NuclearNuclear 26,4526,45 6,66,6

Renovável **Renovável ** 3,113,11 0,80,8* British thermal units (Btu). ** Renovável: Geotérmica, Solar, Eólica, Madeira, Resíduos

Consumo mundial no ano 2006 (1013 kWh)

Energia Primaria Total (EP):

Energia Elétrica (EE):

4,723

1,799

EE ≈ 38% EP

> 60% do combustível fóssil é queimado dentro de motores diferentes

Residencial 50,3 11%

Comercial 26,4 6%

Industrial 175,0 37%

Transporte 91,9 20%

Perda de energia 128,9 27%

Energia Total Mundial Fornecida em 2006 (1015 BTU)

Reservas de Fontes Fósseis de Energia Primária em 2002

PaísPaís Petróleo em Petróleo em brutobruto

( 10( 1099 barrils) barrils)

Gás NaturalGás Natural(10(101212 pé pé 33))

CarvãoCarvão101066 t t

Arábia Arábia SauditaSaudita 261,7261,7 228,2228,2 --

RússiaRússia 53,953,9 1.700,01.700,0 173.074173.074

VenezuelaVenezuela 50,250,2 149,2149,2 528528

ChinaChina 29,529,5 42,842,8 126.215126.215

MéxicoMéxico 23,123,1 39.039.0 1.3351.335

EUAEUA 22,422,4 183,5183,5 273.656273.656

IndonésiaIndonésia 9,29,2 87,587,5 5.9195.919

BrasilBrasil 8,68,6 7,97,9 13.14913.149

AustráliaAustrália 3,83,8 80,080,0 90.48990.489

ÍndiaÍndia 3,83,8 15,415,4 93.03193.031

AlemanhaAlemanha 0,30,3 9,09,0 72.75372.753

MundoMundo 1018,71018,7 5930,25930,2 1.083.2591.083.259

Produção de Hidrogênio:

No processo químico de produção de H2 de gás natural para gerar 1 kg de H2 tecnologia produze 9 kg de CO2

Reator Nuclear durante dia pode produzir quantidade de H2 , que é

equivalente a 750000 L de gasolina

Espalhamento experimental de prótons de alta energia

Espalhamento nuclear

Seção de fissão de U-238

Seção de fissão de U-235

Energias médias (<E>) de nêutrons emitidos na fissão

Núcleo <E> MeV

U-233 2,06

U-235 2,03

Pu-239 2,10

Pu-240 1,86

Pu-241 2,09

Cf-252 2,14

Problemas de produção de energia de fissão nuclear

Urânio natural contem:

99,3% de U-238 e somente

0,7% de U-235 fissionável

Enriquecimento de urânio natural para produzir o combustível nuclear

1. Combustível

2. Moderador

3. Refletor

4. Refrigerante e sistema de refrigeração

5. Controlador e sistema de controle

6. Vaso do reator

7. Blindagem

Estrutura de Reator Nuclear

OUTRAS APLICAÇÕES DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA NUCLEAR

       Reator de calor industrial de alta temperatura

       Eletrólise de água para produção de hidrogênio

       Dessalinização de água

       Medicina nuclear:   Diagnóstico médico   Tratamento de câncer

       Pesquisa científica básica

       Agricultura   Preservação de alimentos

       Meio ambiente:

Tratamento dos rejeitos industriais e domésticos

        Materiais novos (leves, de alta resistência )

Tratamento com irradiação para produção dos

plásticos, cerâmicas, metais entre outras

        Produção dos radioisótopos

        Aplicações industriais

        Nucleocronologia

 

Ampola de Raios-X dentário

Análise Química

Fluorescência de Raios-X

Detector de Fumaça

Eliminador de Estática

Medidor de Densidade

Pára-Raios

Medidores de Nível

Perfilagem de Petróleo

Perfilagem de Poços

Medidores de Espessura

Medidores de Nível

Perfilagem de Petróleo

Perfilagem de Poços

Medidores de Espessura

Gamagrafia industrial

Densitometria Óssea

Diagnóstico/Produção Tecnécio

Radioterapia

Nucleocronologia por carbono -14

Espectrômetro de massa

Produção de Co-60

Produção de Cs-137

Imagem de coração em tomografia de pósitron

Escaniamento de iodin-123

Braquiterapia

Laboratório de controle de meio-ambiente na Usina nuclear

Ano Acidentes Feridos Vítimas

1988 6.887.000 3.416.000 47.087

1989 6.653.000 3.284.000 45.582

1990 6.471.000 3.231.000 44.599

1991 6.117.000 3.097.000 41.508

1992 6.000.000 3.070.000 39.250

1993 6.106.000 3.149.000 40.150

1994 6.496.000 3.266.000 40.716

1995 6.699.000 3.465.000 41.817

1996 6.770.000 3.483.000 42.065

1997 6.624.000 3.348.000 42.013

1998 6.335.000 3.192.000 41.471

1999 6.289.000 3.200.000 41.345

Tabela 1 apresenta 12 anos de GES e FARS dados de NCSA (National Center for Statistics and Analysis)

  Tabela 1. Motor Vehicle Traffic Data.

Tabela 1 apresenta GES e FARS dados de NCSA (National Center for Statistics and Analysis)

  Tabela 1. Motor Vehicle Traffic Data.

Ano Acidentes Feridos Vítimas

1988 6.887.000 3.416.000 47.087

1989 6.653.000 3.284.000 45.582

1990 6.471.000 3.231.000 44.599

1991 6.117.000 3.097.000 41.508

1992 6.000.000 3.070.000 39.250

1993 6.106.000 3.149.000 40.150

1994 6.496.000 3.266.000 40.716

1995 6.699.000 3.465.000 41.817

1996 6.770.000 3.483.000 42.065

1997 6.624.000 3.348.000 42.013

Ano Acidentes Feridos Vítimas

1998 6.335.000 3.192.000 41.471

1999 6.289.000 3.200.000 41.345

2000 6.356.000 3.200.000 41.945

2001 42.196

2002 6.316.000 2.900.000 43.005

2003 6.328.000 2.900.000 42.884

2004 42.836

2005 6.420.000 2.900.000 43.443

2006

País Acidentes Feridos Vítimas

Argentina 7.500

Australia 1.456 22.500 1.601

Brazil 35.000

Canada 160.000 2.900

China 450.000 470.000 100.000

According to the National Highway Traffic Safety Administration there are about 43,000 people killed in fatal car accidents each year in the United States. In addition to fatal accidents, about 2.9 million people are injured each year

According to the World Health Organization there are about 1.2 million People killed in traffic accidents every year, 10 Million are People Injured, costing an estimated US$ 520 Billion

Comparação de Geração e Consumo de Energia Elétrica em 2000 ( em 106 kWh )

PaísPaís GeraçãoGeração ConsumoConsumo

EUAEUA 3802,73802,7 3604,83604,8

ChinaChina 1287,71287,7 1188,81188,8

JapãoJapão 1015,01015,0 943,9943,9

RússiaRússia 835,4835,4 762,8762,8

CanadáCanadá 587,1587,1 509,9509,9

AlemanhAlemanhaa 536,2536,2 501,7501,7

ÍndiaÍndia 512,0512,0 477,5477,5

FrançaFrança 511,1511,1 405,9405,9

InglaterrInglaterraa 351,9351,9 341,5341,5

BrasilBrasil 339,5339,5 358,7358,7

ItáliaItália 256,0256,0 282,0282,0

EspanhaEspanha 210,3210,3 200,0200,0

Instalações Novos de Energia Elétrica em 2001(Potência, MkW)

Instalações Novos de Energia Elétrica em 2001(Potência, MkW)

PaísPaísTermelétricTermelétric

aaHidrelétricHidrelétric

aaNucleaNuclea

rrOutraOutra

ssTotaTota

ll

Estados Estados UnidasUnidas 600600 9999 9898 1616 813813

ChinaChina 237237 7979 22 00 318318

JapãoJapão 167167 2222 4545 11 235235

RússiaRússia 140140 4343 2121 00 204204

AlemanhaAlemanha 8181 44 2222 66 114114

ÍndiaÍndia 8383 2525 33 11 112112

CanadáCanadá 3333 6767 1111 00 111111

FrançaFrança 2727 2121 6363 00 111111

InglaterraInglaterra 6262 11 1212 00 7676

BrasilBrasil 77 6262 22 33 7373

ItáliaItália 5454 1313 00 11 6969

Geração Mundial de Energia Elétrica pelas fontes renováveis: Geotérmica, Solar, Eólica, Madeira e Resíduos em 1992-2001 (Bilião kWh)

PaísPaís 19921992 19931993 19941994 19951995 19961996 19971997 19981998 19991999 20002000 20012001

Estados Estados UnidosUnidos 77.577.5 79.779.7 80.280.2 78.178.1 79.479.4 80.880.8 80.780.7 83.483.4 85.785.7 84.884.8

AlemanhaAlemanha 5.75.7 6.16.1 7.67.6 8.38.3 9.29.2 9.99.9 12.612.6 13.113.1 18.618.6 22.622.6

JapãoJapão 18.418.4 18.518.5 19.719.7 21.821.8 22.722.7 24.424.4 17.817.8 18.718.7 19.019.0 19.119.1

BrasilBrasil 6.66.6 6.76.7 7.27.2 7.47.4 8.58.5 9.59.5 9.89.8 11.411.4 12.012.0 14.814.8

FilipinasFilipinas 5.45.4 5.45.4 6.06.0 5.85.8 6.26.2 6.96.9 8.58.5 10.110.1 11.011.0 12.212.2

EspanhaEspanha 0.70.7 0.80.8 1.01.0 1.51.5 1.91.9 2.82.8 3.53.5 5.45.4 7.17.1 9.29.2

FinlândiaFinlândia 4.74.7 5.75.7 6.16.1 6.36.3 5.85.8 7.87.8 9.39.3 8.38.3 8.58.5 8.48.4

ItáliaItália 3.83.8 4.04.0 3.83.8 4.04.0 4.54.5 5.35.3 6.16.1 6.96.9 7.67.6 7.87.8

CanadáCanadá 4.14.1 4.54.5 5.45.4 5.35.3 5.55.5 5.95.9 6.36.3 7.37.3 7.27.2 7.27.2

DinamarcaDinamarca 1.41.4 1.71.7 1.81.8 2.02.0 2.32.3 3.13.1 4.14.1 4.64.6 6.06.0 6.16.1

MéxicoMéxico 5.55.5 5.65.6 5.35.3 5.45.4 5.45.4 5.25.2 5.75.7 5.95.9 6.16.1 5.85.8

InglaterraInglaterra 2.12.1 4.54.5 4.64.6 5.45.4 2.62.6 3.13.1 3.73.7 4.64.6 5.05.0 5.75.7

Países Países BaixosBaixos 1.41.4 1.61.6 1.61.6 2.02.0 2.62.6 4.04.0 4.44.4 4.54.5 5.05.0 5.05.0

Mundo TotalMundo Total 156.3156.3 163.7163.7 171.2171.2 179.3179.3 182.8182.8 199.1199.1 204.1204.1 219.9219.9 238.7238.7 251.1251.1