9 O CICLO DO COMBUSTÍVEL NUCLEAR
9.1 CICLO DO COMBUSTÍVEL
O ciclo do combustível nuclear, conforme INB (2008), é o conjunto de etapas do processo industrial que transforma o mineral urânio, desde quando ele é encontrado em estado natural, em elemento combustível, dentro de uma usina nuclear.
1) Mineração e Produção de Concentrado de Urânio (U3O8)
O elemento químico urânio é um metal encontrado em formações rochosas da crosta terrestre. Após o conjunto de operações, que têm como objetivo descobrir uma jazida e fazer sua avaliação econômica - prospecção e pesquisa -, determinam- se o local onde será realizada a extração e o início dos procedimentos para a mineração e para o beneficiamento. A primeira etapa do ciclo do combustível é, pois, a prospecção do urânio. Em seguida, são realizados a mineração e o beneficiamento. Na usina de beneficiamento, o urânio é extraído do minério, purificado e concentrado sob a forma de um sal de cor amarela, conhecido como "yellowcake" [concentrado de urânio (U3O8)], matéria-prima para produção da energia gerada em um reator nuclear. Essas atividades são desenvolvidas na Usina de Caetité (BA).
Figura 2 - Mineração do Urânio Fonte: INB (2008)
Figura 3 - Usina de Beneficiamento de Urânio – Caetité (BA)
Fonte: INB (2008)
Figura 4 - Processando o yellocake (U3O8)
2) Conversão de U3O8 em UF6
Na seqüência, tem-se a conversão, ou seja, a transformação do material sólido (yellowcake) no gás hexafluoreto de urânio (UF6), que será o insumo a ser processado nas ultracentrífugas.
Na usina de conversão, o urânio, sob a forma de yellowcake, é dissolvido e purificado, obtendo-se então o urânio nuclearmente puro. A seguir, é convertido para o estado gasoso, o hexafluoreto de urânio (UF6), para permitir a transformação
seguinte: enriquecimento isotópico.
Figura 5 - Conversão de U3O8 em UF6 – Container Fonte: INB (2008)
3) Enriquecimento Isotópico
O enriquecimento isotópico, que tem por objetivo aumentar a concentração do U235 acima da natural, é realizado ao longo do percurso do gás em um circuito de vários estágios de cascatas de ultracentrífugas, onde o percentual de U235 vai aumentado gradativamente, de 0,7% a até 3,2%, valor considerado adequado para permitir sua utilização como combustível nuclear.No ciclo do combustível nuclear, a fase de maior complexidade tecnológica está no enriquecimento, ou seja, na obtenção do Urânio com maior concentração do seu isótopo 235, de modo a permitir sua utilização nos elementos combustíveis de um reator nuclear, facultando sua utilização como combustível para geração de energia elétrica.
O urânio235 é o isótopo físsil responsável pela reação em cadeia nos
reatores nucleares
Atualmente, o processo de enriquecimento (em escala industrial) é efetuado no exterior e enviado em conteineres para a Fábrica de Combustível Nuclear (FCN). Entretanto, parte desta etapa, será realizada no País, na FCN, com a utilização de tecnologia desenvolvida pelo Centro Tecnológico da Marinha em São Paulo -
CTMSP. Este centro já domina esta tecnologia, só que o material enriquecido não é suficiente para atender às usinas de Angra I e II. Futuramente, a médio prazo, o País processará, em escala industrial, o enriquecimento de urânio através do processo de ultracentrifugação.
Figura 6 - Enriquecimento Isotópico – Recepção Fonte: INB (2008)
4) Reconversão do UF6 em Pó de UO2
Uma vez enriquecido, o gás hexafluoreto de urânio (UF6) é transformado em
dióxido de urânio (UO2). Reconversão é o retorno do gás UF6 ao estado sólido, sob
a forma de pó de dióxido de urânio (UO2).
Reconverter gás em pó é concentrar o urânio de maneira apropriada para sua utilização como combustível. Esta etapa, em que o urânio já é combustível, é realizada em Resende, na Fábrica de Combustível Nuclear - FCN
Figura 7 - Reconversão - Diagrama do Processo Fonte: INB (2008)
Figura 8 - Filtro Fonte: INB (2008) Figura 9 - Homogeneizador Fonte: INB (2008) Figura 10 - Pó de UO2 Fonte: INB (2008)
5) Fabricação de Pastilhas de UO2
Duas pastilhas de urânio, resultantes deste processo que inclui o prensamento do pó de UO2, produzem energia suficiente para atender, por um mês,
uma residência média em que vivam quatro pessoas.
Essas pastilhas de dióxido de urânio (UO2), que têm a forma de um cilindro
de mais ou menos um centímetro de comprimento e de diâmetro, são produzidas na Fábrica de Combustível Nuclear (FCN). Após serem submetidas a diversos testes - dimensionais, metalográficos e químicos -, estarão aptas a compor o elemento combustível, combustível para centrais nucleares
Figura 11 - Processo de Fabricação de Pastilhas de UO2 –INB
Fonte: INB (2008)
Figura 12 – Forno Fonte: INB (2008)
Figura 13 – Pastilhas Fonte: INB (2008)
Figura 14 – Prensa Fonte: INB (2008)
6) Fabricação de Elementos Combustíveis
As pastilhas de dióxido de urânio, confeccionadas na etapa anterior, serão introduzidas em varetas feitas de uma liga especial de zircônio, denominada zircalloy.
Essas varetas, em conjunto, formarão o elemento combustível, que será “queimado” no reator (processo de fissão dos átomos de urânio do elemento combustível em um reator nuclear). É a fonte geradora do calor para geração de energia elétrica, em uma usina nuclear, devido à fissão de núcleos de átomos de urânio.
Esse elemento combustível é produzido em Resende (RJ), na Fábrica de Combustível Nuclear - FCN - Componentes e Montagem, obedecendo a severos padrões de qualidade e precisão mecânica.
Um elemento combustível supre de energia 42.000 residências médias durante um mês.
Figura 15 - Desenho Esquemático do Elemento Combustível Fonte: INB (2008)
Figura 16 - Montagem Fonte: INB (2008)
Figura 17 - Elemento Combustível Fonte: INB (2008)
7) Geração de Energia
É a produção de energia elétrica através da fissão do núcleo do átomo. As usinas nucleares são centrais termoelétricas - como as convencionais - compostas de um sistema de geração de vapor, uma turbina para transformação do vapor em energia mecânica e de um gerador para a transformação de energia mecânica em energia elétrica. A geração de vapor, não ocorre em conseqüência da combustão de uma material combustível, como o carvão e óleo, e sim devido à fissão de núcleos de átomos de urânio.
A empresa Eletrobrás Termonuclear S.A. - ELETRONUCLEAR - é a
responsável, no Brasil, pelo projeto, construção e operação da Central Nuclear Almirante Álvaro Alberto (CNAAA), que reúne as usinas de Angra I e II.
Figura 18 - Usinas Nucleares Angra I e II Fonte: INB (2008)
Figura 19- Elemento Combustível - Angra I Fonte: INB (2008)
Figura 20 - Elemento Combustível - Angra II Fonte: INB (2008)
O Projeto do Ciclo do Combustível está em andamento. As tecnologias de construção de ultracentrífugas e de enriquecimento de urânio vêm sendo aperfeiçoadas desde 1982, e o CTMSP já alcançou o estágio de produção contínua de urânio enriquecido. Em decorrência, ele vem construindo ultracentrífugas para a unidade da empresa Indústrias Nucleares do Brasil (INB) localizada em Resende (RJ), para que esta, como responsável pela produção do combustível nuclear para as usinas Angra 1 e 2, possa se tornar capaz de enriquecer o urânio no País ao invés de adquiri-lo na Alemanha. À exceção da conversão, todas as demais etapas do ciclo são de domínio nacional e estão em operação. Para completá-lo, segundo Marinho (2007), citado por Hecht (2007), falta somente concluir e operar a Unidade Piloto para Produção de Hexafluoreto de Urânio (USEXA). Essa planta, ora em
construção no Centro Experimental de Aramar (CEA), terá capacidade para produzir 40 toneladas de UF6 por ano, uma escala industrial adequada para abastecer de material enriquecido as usinas e o reator do futuro submarino nuclear brasileiro.
Por outro lado, o Projeto do Laboratório de Geração Núcleo-Elétrica (LABGENE), que, junto com o Projeto do Ciclo do Combustível, forma o Programa Nuclear da Marinha (PNM), visa ao desenvolvimento e à construção, com tecnologia própria, de uma planta nuclear de geração de energia elétrica, incluindo o reator nuclear. Essa instalação servirá de base e de laboratório para o desenvolvimento, no País, de centrais nucleares para o atendimento das necessidades da matriz energética brasileira, e de instalações de propulsão nuclear para mobiliar o futuro submarino nuclear brasileiro.
Em 2005, segundo Guimarães (2006), citado por Hecht (2007), foi concluída, com sucesso, a montagem final do Vaso de Pressão do Reator do LABGENE, que, acrescido dos elementos combustíveis e dos mecanismos de acionamento de barras de controle, irá perfazer um reator nuclear do tipo PWR completo, de baixa potência.
Portanto, pode-se considerar que o Brasil conta, atualmente, com alguma dissuasão nuclear, considerando-se que o País já domina a tecnologia do enriquecimento do urânio. Hoje, o Brasil enriquece até cerca de 3,5% do urânio 235. Esse é o percentual necessário para a fabricação do combustível nuclear, produzido nas Indústrias Nucleares do Brasil (INB), localizadas em Resende. Nota-se que, facilmente, pois a tecnologia é a mesma, o País poderia enriquecer até cerca de 95% do urânio 235, percentual necessário para a produção de armas nucleares, e assim atingir a dissuasão nuclear plena, como será visto a seguir.