Energia nuclear
Universidade Federal do ABC
Universidade Federal do ABC
Prof. João Moreira
Baseado no livro Energia e Meio Ambiente, R. A. Hinrichs e M.
Kleinbach, Ed. Thomson, 2004.
Sumário
Os componentes dos átomos
Estrutura nuclear
Estrutura nuclear
Níveis de energia
Radioatividade
Interação forte (força nuclear)
Interação forte (força nuclear)
Reações nucleares
F ã
Fusão
Energia nuclear
É uma fonte de alta densidade energética. É uma fonte
de energia controvertida devido suas várias aplicações:
Energética
Medicina
Béli
Bélica
Opiniões pró e contra a energia nuclear são muitas
vezes emitidas em bases emocionais:
vezes emitidas em bases emocionais:
São motivadas por questões políticas, de segurança
Matéria
Átomo – parte indivisível da matéria e
constituinte de todos os materiais (Demócrito –
420 a.C.)
4 elementos formadores da matéria (Aristóteles –
e e e tos o
ado es da
até a (
stóte es
340 a.C.)
Fogo, água, ar e terra
Fogo, água, ar e terra
Átomo – proposta por Dalton (século 19)
á
Cada elemento consiste de um tipo de átomo.
Estrutura do núcleo do átomo
Composição do núcleo
O núcleo é composto de nucleons:
Prótons Nêutrons
Os nucleons são formados por partículas menores - quarks Cargas do quarks podem ser
+1/3 e ou +2/3 e (e = carga do elétron)
Existem 6 tipos de quarks:
up, down, charm, strange, top e botton
Exemplo: Exemplo:
Próton é composto por 3 quarks
Radiação descoberta nos
ç
experimentos do início do século XX
+
Elementos químicos – núcleo atômico
Caracterizados pelo número de prótons
que é igual ao número de elétrons.
Níveis quânticos de energia
A mecânica quântica estabeleceu que os átomos e núcleos não
podem estar em qualquer estado energético.
Somente alguns estados são possíveis.
As transições ocorrem de um estado para outro, na forma de um
degrau, que se diferenciam por um quanta ou quantidade fixa de energia.
Os níveis de energia do átomo ou núcleo são discretos.g
Exemplo: lâmpada de neon
Absorve energia das descargas elétricas no gás e emite radiação bso e e e g a das desca gas e ét cas o gás e e te ad ação
Nuclídeos e isótopos
Nuclídeo é a denominação dada a qualquer espécie
de núcleo
Tabela de radionuclídeos
ó
í
ú
Isótopo – nuclídeos com o mesmo número de
prótons
Ocupam o
mesmo
lugar
na tabela periódica (
iso
-
topo
)
Radionuclídeo – nuclídeo que emite radiação ou
q
ç
Isótopos do hidrogênio
Massa do próton = 1,0073 uma
Massa do nêutron = 1,0087 uma
1 uma
(unidade de massa atômica)= 1,66x10
-27kg
Massa do H = 1,008 uma
Radionuclídeos
Os radionuclídeos mais pesados emitem partículas α (núcleos de He)
Pb é o nuclídeo mais pesado estável Os outros são radioativos
Radionuclídeos menores e intermediários emitem radiação β
Radionuclídeos normalmente emitem radiação γ
É oriunda de uma transição menos energética e que não envolve
perda de massa perda de massa
Normalmente ocorre em conjunto com os decaimentos α e β
Radiação β
ç
β
Elétron – β
Decaimento radioativo
O nuclídeo radioativo decai espontaneamente de um
estado mais energético (excitado) para um estado menos
é
(
ó
d
b l d d )
energético (mais próximo da estabilidade).
Os radionuclídeos decaem em procura da estabilidade.
Emitem radiação eletromagnética e ou partículas
A probabilidade de decaimento por unidade de tempo é
t í ti
d
di
líd
uma característica do radionuclídeo
Constante de decaimento é a probabilidade de decaimento
por unidade de tempo
por unidade de tempo
Decaimento radioativo
O decaimento segue uma lei exponencial
Seja N(t) a população de um certo radionuclídeo no
Seja N(t) a população de um certo radionuclídeo no
instante t
é
Atividade é a taxa de desintegração
por segundo de um radionuclídeo
A atividade cai exponencialmente pois
A atividade cai exponencialmente pois
a população vai diminuindo com o
Relação entre constante de
ç
decaimento e meia vida
Unidades de atividade
As unidades de atividade são Bq e Ci
1 Bq = 1 desintegração/s
9
õ
Exemplo de decaimento radioativo
Início da cadeia de decaimento do Urânio
O urânio decai inicialmente emitindo um alfa e se transforma no Protactínio
Interação nuclear forte
É a interação entre nucleons
É de curto alcance
É de curto alcance
É mais intensa que a força de reupusão eletrostática
que ocorre entre os protons dentro do núcleo
que ocorre entre os protons dentro do núcleo
Depende do número de nucleons
E
i d li
ã d id i t
ã f t é
Energia de ligação, devido a interação forte, é a
energia que mantém o núcleo ligado
É
i
á i
d
b
ú l
É a energia necessária para desmembrar o núcleo
Conservação de energia e massa
ç
g
E = mc
2
Einstein concluiu que sistemas atômicos e
nucleares há a conservação combinada de
energia e massa
energia e massa
A massa e energia são intercambiáveis
A massa e energia são intercambiáveis
E = mc
2
Nos nuclídeos, parte da massa dos
prótons e nêutrons são transformadas em
prótons e nêutrons são transformadas em
energia de ligação nuclear
Energia de ligação do núcleo de He
O l
i di id
l
ê
i
Os nucleons individualmente têm massa superior
que a do núcleo de He
Reações nucleares
O choque de partículas com núcleos atômicos produz reações
denominadas de reações nucleares.
Para haver choque de partículas carregadas como prótons, alfa,
etc, com um núcleo é necessário muita energia cinética para
vencer a repulsão coulombiana (eletrostática)
vencer a repulsão coulombiana (eletrostática).
Para se conseguir estas energias utiliza-se aceleradores de partículas.
As reações nucleares permitem a transmutação nuclear
As reações nucleares permitem a transmutação nuclear
Um nuclídeo se transformar em outroReações nucleares
Nas reações nucleares conservam-se o número de prótons e de
nêutrons
Devem se conservar A e Z
Esta reação tem baixo rendimento porque se necessita de
reagentes (próton e alfa) com alta energia para vencer a barreira
coulombiana
Depende também da probabilidade da reação
Depende também da probabilidade da reação
Reação de fusão nuclear
Colidindo deutério (D) sobre trítio (T)
consegue-se a fusão do núcleo de He, liberar nêutrons e
muita energia (17 6 MeV)
muita energia (17,6 MeV)
Deutério Trítio
Deutério Trítio
Há t
õ
d
f ã
lib
i
Reação nuclear de fissão
Verificou-se que bombardeando núcleos de U com nêutrons térmicos não se
produzia um nuclídeo mais pesado, produzia-se nuclídeos menores.
O ú l d U fi i ú l lib i (200 M )
O núcleo de U fissionava-se em núcleos menores e liberava energia (200 Mev).
Reação de fissão em cadeia
Notou-se também que com os nêutrons liberados pela reação era possível
Reatores nucleares
Reação de fissão em cadeia
Libera muita energia
Libera muita energia
Produz de 1 a 6 nêutrons que permite manter a reação
em cadeia
É utilizada para geração de energia elétrica (Angra 1 e 2)
Reação de fusão nuclear
Ainda não existe em funcionamento (pesquisa)
Ainda não existe em funcionamento (pesquisa)
Reação nuclear de fissão
+ 2,4 neutrons
Fissão
O nêutron é capturado pelo núcleo de
235U e forma um núcleo instável
236
U
d
i i fi ã
10
9 236U que decai via fissão em tempos menores que 10
-9s
Os nêutrons liberados durante a fissão são utilizados para fazerem
õ
d fi ã
ã d fi ã
d i
novas reações em de fissão –
reação de fissão em cadeia
Comparação da densidade energética
p
ç
g
entre a fonte nuclear e outras fontes
A energia liberada por uma fissão é muito
elevada
elevada
E
é i
1 k d U
i l
Em termos energéticos, 1 kg de U equivale a
3000 toneladas de carvão
14000 b
i d
t ól
Reação nuclear de fissão
O nêutron deve ter energia baixa (estar em equilíbrio térmico com o
meio) nos reatores PWR
O i ó
235U d b bilid d
d ã
d
fi ã
O isótopo
235U tem grande probabilidade de reação de fissão com
nêutrons térmicos; o isótopo
238U tem baixa probabilidade de reação
com os nêutrons térmicos.
Na natureza, cerca de 99,3 % é de isótopos 238 e 0,7 % de isótopos
235.
á
é
7
A energia liberada por 1 mol de átomos de U é de 3,14x10
7Kcal/g-mol ou 31.400.000 Kcal/gKcal/g-mol
O resultado acima leva em conta que apenas o q p 235U fissiona.
Para se manter a reação em cadeia é necessário enriquecer o U,
isto é, aumentar a proporção de
235U no U
Aumenta-se para 2 a 5 %
Moderação da energia cinética dos
ç
g
nêutrons
Os nêutrons nascem (oriundos da fissão) com energia média de 2 MeV A probabilidade de fissão do 235U é maior com nêutrons de baixa energia
1 MeV – seção de choque de fissão de ~ 1 barn
0,025 eV – seção de choque de fissão de ~ 500 barn
h d ê á d lé l
Os choques dos nêutrons com os átomos de H existentes nas moléculas
de água baixam a energia dos nêutrons (moderação) Processo semelhante a choques entre bolas de bilhar
Processo demora cerca de 10-5 s (tempo de vida de uma geração de nêutrons)
Seção de choque é a probabilidade de ocorrência da reação nuclear expressa em termos de Seção de choque é a probabilidade de ocorrência da reação nuclear expressa em termos de
Isótopos físseis e férteis
Elementos físseis - que fissionam com neutrons térmicos
Natural
Urânio-235 Artificiais
Urânio-233 Urânio 233 Plutônio-239 Plutônio-241 Elementos férteis
U-238 – reage com nêutron e transmuta-se em Pu-239 e
Pu-241
Reação de fissão em cadeia e
ç
fator efetivo de multiplicação
Reação em cadeia – progressão
ç
p g
geométrica
O tempo médio de vida de uma
geração de nêutrons no reator, Λ, é aproximadamente 10-5 s
m-ésima geração
Quanto a população de nêutrons
aumenta em um reator em 1 segundo se k = 1 0001?
segundo se k 1,0001?
Número médio de gerações de
nêutrons em 1 segundo é 1/Λ 105 õ 1/Λ = 105 gerações m= 105 N 5 (1 0001)100 000 22 015 5 N105 = (1,0001)100.000 =22.015,5 Um pequeno k > 1 leva a um
aumento muito grande da
relação entre a m-ésima geração
população neutrônica ou da produção de energia
relação entre a m ésima geração e a 0-ésima
Controle da reação de fissão em
ç
cadeia
O controle é feito por meio varetas com material absorvedor de
nêutrons (grande probabilidade de absorção de nêutrons
G d ã d h d b ã
Grande seção de choque de absorção
Elementos absorvedores de nêutrons: B, Cd, Hf
As varetas são colocadas a distâncias variadas dentro do núcleo do reator
São movimentadas (inseridas e retiradas do reator) para controlar a
reação em cadeia. reação em cadeia.
Inserção – aumenta a absorção de nêutrons e, consequentemente, diminui a
reação em cadeia
Retirada diminui a absorção de nêutrons e consequentemente aumenta a Retirada – diminui a absorção de nêutrons e, consequentemente, aumenta a
Central nuclear PWR (Angra 1 e 2)
O núcleo do reator fica dentro de um vaso de pressão O núcleo é composto de elementos combustíveis
Angra 1 – 121 elementos combustíveis Angra 2 – 193 elementos combustíveis
C d l t b tí l é t j fi d t
Cada elemento combustível é composto por um arranjo fixo de varetas
de combustível e tubos vazios para penetração de varetas de controle
Os elementos de controle são compostos de varetas de controle
(absorvedoras de nêutrons)
A água circunda as varetas combustíveis e tem duas funções:
Remover o calor gerado pelas fissões e converter em energia elétrica
Remover o calor gerado pelas fissões e converter em energia elétrica Moderar a energia dos nêutrons
Reatores nucleares no Brasil - PWR
ChaminéContenção
Reator Nuclear IPEN/MB-01 Cidade Universitária, SP
Núcleo do Reator IPEN/MB-01
(tipo PWR)
Vareta
combustível
Elemento de controle (contem várias
vareta de controle)
Fator de capacidade de várias fontes de
Fator de capacidade de várias fontes de
energia nos EUA em 2009
Reator a Água Fervente (BWR).-
A água absorve o calor a partir das reações no
núcleo e é direitamente conduzida para as turbinas. Depois a água é condensada e é de
volta bombeada para o núcleo do reator.
T=280 C
P=1000PSI
Núcleo do
reator
Lago ou
água resfriada
Ebulição direita;
10% refrigeração = vapor;
Reator semelhante ao PWR;
Densidade de potência menor
que o PWR.
Produtos de corrosão ativos
no núcleo do reator;
Pressão interna 1000 PSI;
Combustível UO
2;Reator a Água Pressurizada (PWR)
utiliza um sistema fechado para evitar a
circulação da água através do núcleo de ebulição devido à alta pressão. O calor de este
sistema é removido pela vapor da água em canos para o gerador.
T=315 C
P=2000PSI
Núcleo do
reator
Lago ou
água resfriada
60% destes reatores são usados
no mundo
Água no núcleo chega a
temperaturas de 315 C;
Esta água esta no estado liquido
pela alta pressão;
Pressão no núcleo = 2000 PSI;
O vapor da de 2 a 4 ciclos
Pastilhas de UO
232% de eficiência
O segundo ciclo do vapor é
idêntico ao BWR
A radiatividade no primeiro ciclo
é melhor controlado que no BWR
O vaso do reator deve ser mais
Combustível 3.2% U-235 ;
O vaso do reator deve ser mais
robusto para resistir altas
pressões.
Reator resfriado a gás (GCR)
Este tipo de reator, utiliza o gás CO
2para remover o
calor do nucleo e grafite como moderador.
Fator de capacidade das usinas
p
Rejeitos radioativos
Dada a densidade elevada de geração de energia,
a fonte nuclear produz pequena quantidade de
a fonte nuclear produz pequena quantidade de
rejeitos
U i di íd
70
i d
t
Um indivíduo, em 70 anos, consumindo somente
eletricidade de fonte nuclear geraria 300 ml de
rejeitos (latinha de refrigerante)
rejeitos (latinha de refrigerante)
Uma usina de 1000 MW produz anualmente cerca
Rejeitos radioativos produzidos pela
j
p
p
geração núcleo-elétrica
Rejeitos de níveis de radioatividade
baixo e médio
baixo e médio
Rejeitos de nível de radioatividade
Rejeitos de nível de radioatividade
alto que requerem armazenagem
por milhares de anos
por milhares de anos
Desativação das usinas após
Reações nucleares e os rejeitos
Reação de fissão com nêutrons térmicos produz
energia e produtos de fissão
Produtos de fissão incluem quase toda a tabela de
nuclídeos
Reações nucleares e rejeitos
Captura de nêutrons
é
térmicos pelo
238U e
sucessivos decaimentos
beta produz plutônio
beta produz plutônio
(elemento transurânico
-TRU))
239
Pu também fissiona
com nêutrons térmicos
com nêutrons térmicos
(combustível)
Reações nucleares de captura geram
ç
p
g
outros elementos TRU – rejeitos
Captura de nêutron pelo plutônio produz, depois de
decaimento beta, amerício (Am)
Captura de nêutron pelo amerício produz, depois de
decaimento beta, curium (Cm)
U, Np, Am e Cm fissionam com nêutrons rápidos
(combustível de reatores de espectro rápido)
Os elementos transurânicos Np, Pu, Am e Cm também
são considerados rejeitos radioativos se não utilizados
como combustível
como combustível
Np, Am e Cm são também chamados de actinídeos
menores
menores
Acidentes graves ocorridos
g
Acidente de Three Mile Island
Em 1979 ocorreu o acidente na Pensilvania, EUA Houve o derretimento do núcleo
Erro operacional – operador inadvertidamente liberou água do reator
para fora da contenção.
Sistemas de segurança funcionaram Sistemas de segurança funcionaram Nenhuma pessoa faleceu
Houve incerteza entre os especialistas sobre a evolução do acidente p ç
(houve sucessão de eventos não previstos anteriormente)
Houve evacuação de milhares de pessoas
Houve grande comoção entre a população aumentando a inquietação
Acidentes graves ocorridos
g
Acidente de Chernobyl
Em 1986 ocorreu o acidente na Ucrânia, antiga URSS.
Um experimento mal conduzido produziu uma sobrepotência
p
p
p
e incendiou a grafita do núcleo do reator.
O incêndio causou explosões e liberou radioatividade para o
meio ambiente.
O reator não tinha contenção
A l
di
i i
i iã
d
í
l
A pluma radioativa atingiu a região da península
escandinávia.
A aceitação pública da energia nuclear ficou muito
A aceitação pública da energia nuclear ficou muito
Avaliação probabilística de risco
Qualquer atividade ou tecnologia envolve riscos e benefícios Riscos das atividades
Andar de avião
Andar de avião
Atravessar uma rua movimentada
Faz-se porque há benefícios advindos da atividade
Risco
produto da probabilidade e da frequência de ocorrência de um evento
•
Avaliação probabilística de risco do projetoEnergia nuclear – forma de geração
g
g
ç
controvertida
É uma das fontes importantes de energia no Brasil e no mundo Qual é o papel que pode representar?
Tema de amplo debate!
Histórico
Primeiro reator foi construído e entrou em operação em 1942 – Enrico Fermi O objetivo inicial foi a construção de arma nuclear para 2a Guerra Mundial O objetivo inicial foi a construção de arma nuclear para 2a. Guerra Mundial
Bomba de Hiroshima – 235U – desenvolveu-se o enriquecimento do U
Processo físico
Bomba de Nagasaki – 239Pu – desenvolveu-se reator para produção de Pu e usina Bomba de Nagasaki 239Pu desenvolveu se reator para produção de Pu e usina
de reprocessamento
Processo químico
Histórico
Entre 1955 e 1957, russos e americanos produziram pela primeira vez eletricidade para fins
civis a partir da energia nuclear
Na década de 60 havia muito otimismo com a energia nuclear Na década de 60 havia muito otimismo com a energia nuclear
Acreditava-se ser uma fonte com pouco impacto ambiental, muito disponível e barata! Crescimento exponencial da geração núcleo-elétrica
EUA, Rússia, Inglaterra, França, Alemanha, Canadá e Japão estabelecem programas para construção de usinas núcleo-elétricas
Na década de 70 inicia-se a inquietação da população em relação à segurança dos reatores
e sobre a destinação dos rejeitos radioativos e sobre a destinação dos rejeitos radioativos
Consolida-se as tecnologias LWR (Light Water Reactors) e CANDU:
PWR – Pressurized Water Reactor, Angra 1 e 2 BWR – Boiling Water Reactor
BWR Boiling Water Reactor
Candu – Reactor moderado a água pesada canadense (Argentina tem 1)
Acidente de Three Mile Island Escalada nos custos de construçãoç
Histórico
Na década de 80 a energia anda de lado e tem grandes dificuldades de aceitação pública
Acidente de Chernobyl
Consolidação da geração nuclear na França Japão Espanha Coréia do Sul Consolidação da geração nuclear na França, Japão, Espanha, Coréia do Sul Estagnação nos EUA, Alemanha, Suécia e outros países
Dificuldade de competir com fontes mais baratas, como gás natural
Na década de 90 desenvolve-se novos projetos inovadores para tornar as usinas mais seguras e Na década de 90 desenvolve se novos projetos inovadores para tornar as usinas mais seguras e
mais baratas
Desenvolvimento de pesquisa para tornar usinas mais seguras Novas propostas para tratamento dos rejeitos radioativos
Na década de 2000, renasce o interesse pela energia nuclear por não contribuir para o
aquecimento global
Energia limpa (não emite CO2)
Trata seus rejeitos e não dispersa na atmosfera
