As usinas movidas a energia nuclear
são basicamente destinadas à geração de energia elétrica. A energia nuclear,
provinda da fissão de um material, é aproveitada para aquecer um sistema de
água até a sua completa vaporização. O vapor gerado é direcionado a uma turbina
cujo eixo “girante” e acoplado a um gerador elétrico: este, por sua vez,
transforma o movimento de rotação (energia cinética) em energia elétrica,
segundo os princípios da indução eletromagnética.
Uma usina nuclear é composta dos seguintes elementos:
núcleo do reator, gerador de vapor, condensador, torre de resfriamento,
reservatório de água fria, turbina, gerador elétrico, transformador e, por fim,
as linhas de transmissão. Estas partes serão detalhadas adiante.
Como combustível, as usinas utilizam isótopos do
urânio ou plutônio, enriquecidos para obter um melhor aproveitamento da reação.
Mesmo com o enriquecimento, somente uma porcentagem do material é de fato
aproveitada nas reações de fissão (processo que se baseia na quebra de um átomo
e utilização da energia proveniente desta reação).
Devido ao alto rendimento na conversão da energia
nuclear em elétrica, uma vez que uma pequena quantidade de combustível nuclear
gera grande quantidade de calor, que é posteriormente transformado em
eletricidade, a operação de uma usina é um processo extremamente delicado e que
envolve diversas tecnologias, dispositivos de controle e segurança. As reações
devem ser controladas com extremo rigor e os produtos da fissão, ao serem
retirados do reator devem ser armazenados segundo rígidos de segurança.
Por conta do constante aumento no consumo de
energia elétrica, diferentes meios de sua obtenção devem ser levados a cabo e
as usinas nucleares não devem ser deixadas de lado. Este assunto é bastante
controverso: as usinas devem operar com padrões elevadíssimos de segurança, mas
um único acidente pode ter consequências catastróficas para a população no seu
entorno e propiciar uma contaminação no meio ambiente que pode perdurar por
diversos anos.
Combustível nuclear
Os possíveis elementos combustíveis
de uma usina nuclear são os isótopos do urânio-233, o urânio-235 e o
plutônio-239, também chamados de material físsil. Destes três, somente o U-235
existe na natureza, os outros dois são formados a partir do Th-232 e o U-238. Os
reatores térmicos atuais são carregados com o U-235. A figura a seguir mostra
uma rocha contendo minério de urânio.
O urânio natural contém somente 0,71% (em peso) de U-235 na matriz de
material fértil U-238 (é chamado de fértil porque é convertido em material
físsil Pu-239 após absorver um nêutron). Em um reator do tipo PWR (discutido
adiante), o urânio deve ser enriquecido à ordem de 3%. Para o processamento de
reatores rápidos, o urânio deve ser enriquecido à ordem de 15 a 20%, dependendo
do tamanho do núcleo do reator.
Vamos ter uma ideia da ordem das
grandezas envolvidas numa reação nuclear, uma usina do tipo PWR pode fornecer
33 mega watt-dia por quilo de combustível. Como fator de comparação, podemos
recorrer à potência fornecida por uma única turbina da usina hidrelétrica de
Itaipu, que, sozinha, gera cerca de 700 mega watt, requerendo um volume
contínuo de água que cai de uma altura de mais de 120 metros, conduzida por um
canal em torno de 12 metros de diâmetro.
Massa crítica
A obtenção de energia por meio da reação nuclear é um processo complexo.
Não é possível simplesmente colocar qualquer quantia de material físsil em um
reator e gerar eletricidade. Muito pelo contrário: as reações devem ser
meticulosamente controladas, o que envolve diferentes dispositivos de proteção
e segurança. A começar pelo próprio combustível, somente a partir de uma dada
quantia de material é que se torna viável a realização do processo de fissão do
material. Uma usina operando com Pu-239 como material físsil puro precisa de
cerca de 10 kg, o que se pode conseguir com uma esfera com 10 cm de diâmetro.
Usinas que possuem reatores rápidos requerem uma massa um pouco menor: uma
esfera com 5 kg em uma esfera de 8 cm de diâmetro.
Processo
de fissão nuclear
O combustível (urânio ou plutônio) deve ser bombardeado com nêutrons, a
fim de sofrer um processo de fissão, que consiste na “quebra” de um átomo do
combustível. Este bombardeamento resulta, então, em dois novos elementos (com
número atômico menor), na emissão de outros nêutrons (que se colidirá com
outros átomos de material físsil) e na liberação de grande quantidade de calor.
A figura a seguir ilustra o processo de fissão do urânio.
A energia liberada na fissão de um único átomo de urânio é da ordem de
200 MeV
1 J = 6,27x1012 MeV
Tipos de reatores
O início do desenvolvimento de reatores nucleares para fins comerciais
de geração de energia elétrica aconteceu após a II Guerra Mundial, sendo que os
primeiros reatores surgiram no hemisfério norte, mais precisamente nos Estados
Unidos da América. Hoje os reatores mais comuns utilizam água refrigerante e
são denominadas LWR (Light Water Reactor) ou Reator Moderados a Água Leve.
Nestes reatores é necessário que o urânio seja enriquecido para em torno de
3,5%, a fim de garantir uma reação em cadeia sustentada.
Existem dois tipos de reatores LWR, denominados PWR (Pressurised Water
Reactor) – reator a água pressurizada e BWR (Boiling Water Reactor) –
reator a água fervente. A diferença básica entre os reatores é que o primeiro
trabalha com o ciclo de água no reator no estado líquido e a alta pressão,
usando um trocador de calor para transferir a energia térmica a um circuito
secundário, em que a ebulição da água é desejada. Já o segundo tipo permite que
a água entre em ebulição já no reator e este vapor a alta pressão é direcionado
à turbina geradora.
Estrutura de uma usina nuclear
A estrutura de uma usina
nuclear pode ser observada na figura a seguir:
Em que:
·
Reservatório
de água fria: como é necessário
refrigerar o reator, que opera a altas temperaturas, é indispensável uma
constante troca de calor com um líquido refrigerante, que no caso é a água
contida neste reservatório. A água fria pode der obtida a partir de coleta em
um rio ou até da água do mar. É interessante destacar que a água usada para a
refrigeração dos componentes da usina não contém elementos radioativos, já que
ela é devolvida ao meio ambiente, com temperatura ligeiramente maior do que a
coletada.
·
Torre de
resfriamento: a torre de resfriamento é
o local onde a água quente que sai do condensador é direcionada a fim de
realizar trocas térmicas com o para dissipar o calor absorvido no condensador.
Note que a água que é direcionada ao condensador não entra em contado direto
com o vapor, sendo utilizada somente para resfriamento.
·
Condensador: o vapor extraído da turbina deve ser condensado, ou seja, a água
deve voltar ao estado líquido para que possa ser bombeada para o gerador de
vapor, onde é aquecida novamente até atingir alta temperatura e pressão.
·
Gerador de
vapor: como o próprio nome já diz, este é o local onde o vapor a alta
temperatura e pressão é gerada. A água que circula em ciclo fechado é
superaquecida e o vapor é direcionado a uma turbina, que transforma a energia
cinética do vapor em rotação, (potência do eixo girante).
·
Núcleo do
reator: é o coração de uma usina
nuclear. É o local onde o combustível nuclear é inserido e bombardeado com
nêutrons. O combustível utilizado pode der inserido na forma líquida, mas o
mais utilizado é na forma sólida, uma vez que o elemento combustível pode ter
formato de esferas, cilindro, placas, ou de feixes para se facilitar o manuseio
(um feixe pode conter dezenas ou centenas de elementos). No núcleo do reator, a
água (leve ou pesada) é usada como moderador da reação, sendo ela responsável
pelas trocas térmicas ocorridas na fissão: a água a alta temperatura e pressão
“recolhe” o calor oriundo da fissão e circula até o gerador de vapor, que por
sua vez aquece outro “circuito” de água que deve ser vaporizada e direcionada à
turbina.
·
Turbina: a turbina é um elemento mecânico cuja função é aproveitar a
energia cinética do vapor em alta pressão para ser transformado em potência de
eixo. A expansão do vapor no interior da turbina produz trabalho mecânico e,
consequentemente, aciona o eixo da turbina, e o eixo transmite esta energia
para um gerador elétrico.
·
Gerador
elétrico: o eixo da turbina é
acoplado ao rotor do gerador, com o movimento contínuo do rotor produz uma
corrente elétrica induzida no ‘estator’
do gerador. Este processo de indução de corrente elétrica é conhecido como
indução eletromagnética, uma vez que são fixados ímãs que, quando em movimento,
induzem os elétrons livres do fio enrolado no ‘estator’ devido à variação do fluxo magnético.
- Transformador: a
corrente elétrica produzida no gerador é enviada ao transformador afim de
que a tensão associada a sua geração seja rebaixada (ou elevada) e,
posteriormente, direcionada para as linhas de transmissão.
- Linhas de transmissão de energia elétrica: após
a corrente e a tensão serem reguladas nos transformadores a energia
elétrica e recolhida pela linha de transmissão, elas serão direcionada os
centros consumidores, que vão desde as casas onde moramos até as
indústrias das nossas cidades.
A figura a seguir mostra a planta de
uma usina nuclear. Nela é possível observar as torres de resfriamento, o prédio
do reator (identificável pelo prédio em formato cilíndrico) que contém as
paredes de contenção da radiação e prédio adjacente em que é instalado a
turbina e o gerador que fará a transformação do vapor a alta pressão em
eletricidade.
É interessante destacar que a planta de uma usina nuclear não requer uma
grande área para instalação se comparado a uma usina hidrelétrica, ou até mesmo
com um parque gerador movido a energias renováveis. Nota-se que as usinas
nucleares são preferencialmente instaladas próximas a fontes de água, como rios
ou até mesmo o mar, pois há a necessidade de um volume grande de água para
poder refrigerar o reator e manter a reação controlada.
Panorama mundial de centrais nucleares
Alguns países não dispõem de recursos naturais abundantes, como o
Brasil. Boa parte dos países, principalmente os industrializados, já
comprometeram suas reservas naturais, e necessitam de importar energia. O
abastecimento do mercado interno de um país deve suprir a demanda dos
consumidores, gerando continuamente energia elétrica a fim de manter a
manutenção de sua estrutura social.
Dada à necessidade da geração contínua
de energia elétrica, países como os EUA, França, Japão, entre outros,
incorporaram em seu parque gerador usinas movidas a reatores nucleares, que
provém uma quantia significativa da energia consumida internamente. Analise o
quadro a seguir em que são mostrados quais países fazem uso da tecnologia
nuclear para geração de energia elétrica.
O Brasil, no período dos governos militares, decidiu investir nesta
forma de geração de energia, o que resultou na implantação das Usinas de Angra
I e Angra II e hoje elas fornecem boa parte da energia elétrica consumida no
estado do Rio de Janeiro. A construção teve início no ano de 1972 e foi
concluído em 1984. A seguir temos uma imagem externa da Usina de Angra dos Reis
onde podemos notar o prédio do reator e o Mar de Angra ao fundo.
Fonte
e Sítios Consultados
https://www3.uninove.br
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