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ANALISE DE PERIGOS EM UMA INSTALAÇÃO DE PRODUÇÃO DE
HEXAFLUORETO DE URÂNIO(*)
MARISTHELA PASSONI DE ARAÚJO MARIN(**)
JOSÉ MESSIAS DE OLIVEIRA NETO(***)
RESUMO
Neste trabalho é apresentado um método para análise de perigos em uma instalação de produção de UF6. O método
proposto identifica os perigos associados à operação e avalia as consequências de eventos indesejáveis. Verificou-se que,
embora sendo uma instalação que opera com material radioativo, os perigos maiores podem estar associados a liberações de
substâncias químicas tóxicas, e que a implantação de algumas medidas de proteção pode reduzir sensivelmente as consequências
de eventos indesejáveis.
DESCRITORES: Análise de Perigos, ciclo do combustível nuclear.
SUMMARY
HAZARD ANALYSIS IN ANURANIUM HEXAFLUORIDE PRODUCTION FACILITY
The present work provides a method for preliminary hazard analysis of an uranium hexafluoride production facility.
The proposed method identifies the hazards associated with the production and evaluate the consequences of undesired
events. It was found that, although the facility handles radioactive material, the main hazards may be associated with the
release of toxic chemical substances such as hydrogen fluoride, anhydrous ammonia and nitric acid. It was shown that a
contention band can effectively reduce the consequences of atmospheric release of toxic materials.
KEY WORDS: Hazard analysis, nuclear fuel cycle.
1. INTRODUÇÃO
O ciclo do combustível nuclear compreende
uma série de processos que engloba desde a
localização do minério de urânio, seu beneficiamento,
conversão do óxido natural em hexafluoreto,
enriquecimento isotópico e fabricação do elemento
combustível e reprocessamento do material já
utilizado. As atividades desenvolvidas nas instalações
do ciclo têm o potencial de contaminar e degradar o
meio ambiente, assim como oferece perigo aos
trabalhadores e indivíduos do público, pois operam
com material nuclear e diferentes substâncias
químicas tóxicas. Para a construção, instalação,
ampliação e funcionamento dessas instalações são
necessários estudos que comprovem a segurança da
planta e que demonstrem serem os riscos aceitáveis.
Esses estudos envolvem a aplicação de técnicas de
análise de perigos que têm como objetivo identificar
e quantificar as consequências de um evento acidental.
O método proposto neste trabalho é baseado
em estudos desenvolvidos pelo World Bank (1985)
para plantas químicas convencionais. A aplicação
deste método a instalações nucleares tem sido objeto
de interesse devido aos programas nucleares em
desenvolvimento no Brasil. Um primeiro estudo aplicou
o método a uma instalação de enriquecimento isotópico
de urânio (Lauricella, 1997) e mostrou-se adequado. O
presente trabalho aplica o método a uma instalação de
produção de hexafluoreto de urânio (UF6), que é mais
complexa devido aos processos químicos envolvidos.
Os principais perigos associados ao processo foram
identificados e analisados quantitativamente como os
perigos advindos da liberação de substâncias tóxicas e
radioativas (como NH3, HF, HNO3 e UF6). Verificouse também que o modelo é adequado para a análise de
perigos para este tipo de instalação.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1 MÉTODO
O procedimento para avaliar as consequências
de liberações de substâncias tóxicas em plantas
nucleares é desenvolvido em etapas mostradas na
Figura 1.
A planta é dividida em unidades funcionais e
em cada unidade são identificados os sistemas e
*Parte da dissertação de mestrado apresentada ao Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares-IPEN.
**Engenheira Química, Mestranda (IPEN-USP)
***Professor (IPEN-USP)
R. Un. Alfenas, Alfenas, 5:71- 76, 1999
72
M. P. de A. MARIN e J. M. de O. NETO
componentes de interesse. Cada componente é
analisado e assim identificam-se os possíveis modos
de falha. Caracteriza-se o inventário de materiais
perigosos os quais são selecionados e agrupados, sendo
analisados quantitativamente somente aqueles que
possuem os maiores inventários em função da
toxicidade, inflamabilidade e quantidades. Identificam-
P la n ta
se os perigos, os casos de liberação são classificados
e os termos fontes são determinados, seguindo-se a
avaliação de consequências. Caso sejam conhecidos
dados de probabilidade, pode-se estimar a frequência
de ocorrência de eventos indesejáveis. Finalmente são
propostas medidas mitigadoras de riscos.
U n id a d e s, s iste m a s, c o m p o n e n te s
M o d o s d e fa lh a d o s co m p o n e n tes
F req u ê
In v e ntá rio d e m a teriais p e rig o so s
Av
A g ru p a m e n to d o s c o m p o n e n tes
De
Id e n tific a çã o d o s p e rig o s
C la s si
Figura 1. Etapas da avaliação de perigos
Faz parte da avaliação de perigos uma análise
histórica de acidentes em instalações similares. Esta
pesquisa tem por objetivo identificar os perigos em
atividades industriais, identificar as causas básicas dos
acidentes, levantar tendências históricas e
probabilidades de ocorrência de acidentes, aferir os
resultados de simulação de modelos de cálculos e
auxiliar no desenvolvimento de árvores de eventos.
2.2 A INSTALAÇÃO
O método foi aplicado a uma instalação de
produção de UF 6 (“Kerr Mc Gee Sequoyah
Hexafluoride Plant”)(NRC, 1975). A instalação
purifica o concentrado de urânio (“yellowcake”) pelo
processo extração por solvente para posterior
conversão a UF6, que consiste nas seguintes operações:
(a) Pré processo: manuseio do concentrado, pesagem,
amostragem e armazenamento;
(b) Dissolução em ácido nítrico;
(e) Calcinação (denitração) a UO3;
UO2(NO3)2.6 H2O →UO3 (s) + 2 NO2 + ½ O2 + 6 H2O
(f) Redução a UO2 em leito fluidizado utilizando H2 e
N2 obtidos com a decomposição de amônia anidra;
UO3 (s) + H2 (g) → UO2 (s) + H2O (g)
(g) Hidrofluoração a UF4 em reator de leito contra
corrente utilizando HF anidro e;
UO2 (s) + 4 HF
→ UF4 (s) + 2 H2O
( h) Fluoração a UF6 em reatores de chama pela reação
com flúor elementar produzido na própria instalação.
UF4 (s) + F2 (g)→ UF6 (g)
(NH4)2U2O7 + 6HNO3→ 2NH4NO3 + 2UO2(NO3)2 + 3H2O
U3O8 + 8HNO3 →UO2(NO3)2 + 2 NO2 + 4 H2O
(c) Extração por solvente em contra corrente utilizando
fosfato de tributil em hexano;
(d) Reextração do urânio como solução de nitrato de
uranila;
Extração
UO2(NO3)2 (aq) + 2TBP (org) ↔ UO2(NO3)2.2 TBP (org)
Rextração
R. Un. Alfenas, Alfenas, 5:71-76, 1999
As áreas analisadas da instalação foram
aquelas onde o UF 6 está presente e as áreas de
armazenamento de substâncias químicas perigosas
(HF, NH3 e HNO3). Os impactos de um possível
acidente foram analisados em função da distância ao
ponto de liberação. Considerou-se que os limites da
propriedade está situado a 1175 m do ponto de
liberação. Esta distância foi tomada como referência
no cálculo das concentrações e incorporações para
indivíduos do público.
ANALISE DE PERIGOS EM UMA INSTALAÇÃO DE PRODUÇÃO DE HEXAFLUORETO... 73
2.3 FORMULAÇÃO TEÓRICA
A avaliação das consequências de liberações
de UF6, NH3, HF e HNO3 requer o conhecimento das
suas propriedades físico-químicas e da sua toxicidade
e adoção de um modelo de dispersão atmosférica.
2.3.1 Propriedades do UF6
Embora o UF6 seja um composto estável sua
manipulação é complexa. É altamente reativo com a
água, éter e álcool, formando produtos estáveis. A
reação do UF6 com a água é altamente exotérmica,
produzindo UO2F2 (fluoreto de uranila) e HF (ácido
fluorídrico).
UF6(1)+2 H2O(g)→O2F2(s)+4 HF(g) ∆H = -156,8 kJ/mol
O UF6 é um produto tóxico e radioativo. Dos
seus produtos de hidrólise, o HF apresenta apenas a
toxicidade química, enquanto o UO 2F 2 possui
toxicidade química e radiológica. A toxicidade química
do urânio supera a radiológica para qualquer nível de
enriquecimento (USNRC, 1991). É um produto que
pode causar danos a saúde e contaminação do meio
ambiente. O efeito tóxico mais importante do urânio é
o dano aos rins, podendo ocasionar uma queda de
capacidade funcional afetando também os vasos
sanguíneos em todo o corpo. Já o HF é altamente
corrosivo e exposições moderadas do ar podem causar
queimaduras na pele, irritações ao aparelho
respiratório e da membrana conjutiva. Exposições
agudas podem causar a destruição dos bronquios e
inchaço pulmonar, o que pode ser fatal. Quando
aquecido libera fumos altamente tóxicos.
Modelo de dispersão para o UF6
O modelo de dispersão atmosférica utilizado
é o gaussiano (IAEA,1980). Considera-se que a
liberação ocorra ao nível do solo, que o indivíduo
permaneça na linha de centro da pluma durante a
dispersão e que os particulados sejam altamente
respiráveis e transportáveis.
A incorporação de urânio via inalação é
calculada por :
 X
X
Iu =  . Mu. BR. f d (1); onde: : fator de dis Q
Q
persão atmosférica (s/m 3 ), Mu: massa de
urânioliberada (kg), BR: taxa de respiração de um
indivíduo (2,66 x 10-4 m3/s), fd: fator de deposição seca,
leva em consideração o mecanismo de deposição seca
de particulados devido a ação gravitacional durante o
processo de dispersão da pluma.
A concentração de HF no ar é dada por:
 M HF  X
(2); onde: MHF: massa de HF
.
 t  Q
CHF = 
liberada (kg)
2.3.2 Propriedades do NH3
Em temperatura ambiente e pressão
atmosférica a amônia anidra é um gás incolor, de cheiro
acre, penetrante e de baixa densidade. Pode ser
estocado e transportado como um líquido a alta pressão
e temperatura ambiente (WHO, 1990). Quando amônia
líquida é derramada, uma fração evapora
instantaneamente, extraindo calor do ambiente. A
nuvem formada é mais densa que ar. Os fatores que
influem na densidade da nuvem são as reações
químicas, a umidade atmosférica e a quantidade de
líquido pulverizado ( Haddock & Willians em Lees,
1996 ).
O gás amônia é extremamente corrosivo e
irritante à pele, aos olhos, ao nariz e ao trato
respiratório. Exposição à altas concentrações (acima
de 2500 ppm) ameaçam a vida, tendo como
consequências danos ao trato respiratório, resultando
em bronquites, pneumonias e edema pulmonar (Sax,
1985).
Modelo de dispersão para o NH3
O modelo de dispersão utilizado é o modelo
de dispersão de gás denso desenvolvido por Cox e
Carpenter (1980) incorporado ao programa
computacional WHAZAN (DNV, 1993). Neste
trabalho o caso estudado foi de uma liberação
instantânea . A nuvem que se forma devido a
vaporização de uma parte é representada por uma
nuvem cilíndrica, “top hat”, que assume uma forma
de “panqueca” e propaga-se radialmente relativo ao
seu centro enquanto move-se com o vento. A
concentração de NH3 ( c ) é calculada com o programa,
através da expressão:
2m
(3); onde: m = massa liberada
(2π ) .σ x.σ y.σ z
(kg), σ x σ y σ z = flutuação transversal, horizontal e
c =
3/ 2
vertical da direção do vento (m).
Foi utilizado também, programa
computacional RMP*Comp desenvolvido pela EPA
(1998), com o qual se obtém como resultado o ponto
final tóxico. Entende-se por ponto final tóxico, a
concentração de uma substância no ar em que quase
todos os indivíduos podem ser expostos durante um
intervalo de tempo determinado sem que ocorram
efeitos adversos a saúde.
R. Un. Alfenas, Alfenas, 5:71- 76, 1999
74
M. P. de A. MARIN e J. M. de O. NETO
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
2.3.3 Propriedades do HF
O ácido fluorídrico anidro, também chamado
de fluoreto de hidrogênio é um líquido incolor,
fumegante e corrosivo. O produto anidro entra em
ebulição a 19,5ºC. O gás é menos denso que o ar. Na
fase gasosa, acima de 200ºC encontra-se o ácido como
um monômero e em temperaturas inferiores formamse oligômeros de formula genérica (HF)n. Para se obter
uma completa descrição do comportamento de uma
nuvem de HF é necessário levar em conta este
comportamento associativo, a umidade atmosférica e
a fração de líquido pulverizado (Lees, 1996).
Modelo de dispersão para o HF
Na presente análise o modelo de dispersão
atmosférica utilizado foi o modelo de dispersão de
nuvem neutra incorporado ao programa computacional
WHAZAN, com o programa RMP*Comp foi
calculado o ponto final tóxico. Com o programa
WHAZAN obtém-se a concentração de HF (c) no ar
pela expressão:
2
1
dm   y
h2  

  (4); onde:
−
+

σ U w σ y σ z dt   2 σ 2y 2 σ 2z  
Uw: velocidade do vento (m/s), σ y σ z
:flutuação
c=
dm
horizontal e vertical do vento (m), dt
taxa de
vaporização (kg/s), calculado pelo programa, y:
distância ortogonal à linha imaginária do eixo Ox (m),
h: altura efetiva da liberação (m)
2.3.4 Propriedades do HNO3
O HNO3 é completamente miscível com a
água. Geralmente conhecido e utilizado como soluções
aquosas, algumas vezes com a adição de óxidos de
nitrogênio dissolvidos em altas concentrações. É um
ácido forte, que se comporta como agente oxidante
devido a presença de óxido de nitrogênio.
Os vapores de ácido nítrico são altamente
tóxicos e capazes de produzirem ferimentos graves ou
morte. Sintomas e lesões pulmonares graves podem
ter início após inalação de cerca de 25 ppm por 8 horas,
inalação de 100 a 150 ppm por 1 hora pode causar
edema pulmonar e inalação de 200 a 700 ppm pode
ser fatal num período de 5 a 8 horas (Sax, 1985).
Modelo de dispersão para o HNO3
Para a análise de dispersão de HNO3 foi
utilizado somente o modelo contido no programa
computacional RMP*Comp, obtendo-se assim o ponto
final tóxico especificado.
R. Un. Alfenas, Alfenas, 5:71-76, 1999
Em função da aplicação do método foram
identificados 4 casos limitantes de ocorrência
indesejável: liberação de UF6, liberação de NH3,
liberação de HF e liberação de HNO3.
3.1 Liberação de UF6
O evento limitante é caracterizado por uma
ruptura de um cilindro modelo 48 Y (14 t de UF6).
Trata-se de um evento real ocorrido na instalação em
estudo em 04/01/86. Considera-se que cerca de 13334
kg de UF6 líquido seja liberado para a atmosfera,
durante 15 minutos, formando 4558,93 kg de urânio e
de 1500 kg de HF. Para cálculo da concentração de
HF e incorporação de urânio em função da distância
ao ponto de liberação, considerou-se as classes de
estabilidade atmosférica Pasquill D (u= 3m/s), Pasquill
F (u=1 m/s) e Pasquill C (u=11 m/s). Os resultados
obtidos podem ser comparados na Tabela 1, com
relação ao critério de classificação de eventos
indesejáveis para casos de liberaçaõ de UF6 segundo
USNRC (1991). Observa-se que para a classe de
estabilidade D, as concentrações de HF são inferiores
aos níveis estabelecidos a partir de 2000 m e a
incorporação de urânio a partir de 1300 m do ponto
de liberação, classificando o caso como acidente. Na
condição F, também acidente, porém com
consequências maiores, pois os valores das
concentrações de HF tornam-se menores do que o nível
de referência a partir de 10000 m e a incorporação de
urânio inferior a 10 mg a partir de 1600 m. Para a
classe C, condição provável do dia do acidente, a
concentração de HF é inferior a 35 mg/m3 a 300 m do
ponto de liberação e a incorporação de Urânio menor
que 10 mg a partir de 700 m, caracterizando evento
anormal.
Tabela 1. Resultados da liberação de UF6
Distância (m) a partir da Distância (m) a partir da
qual CHF< 35 mg/m3
qual IU < 10 mg
Classe D Classe F Classe C Classe D Classe F Classe C
2000
10000
300
1300
1600
700
3.2 Liberação de NH3
O caso limitante é definido como uma
liberação instantânea devido a um rompimento
catastrófico do tanque que encontra-se a pressão de
1722 kPa e 25ºC, resultando numa liberação de
conteúdo total, igual a 200t.
3.2.1 - Resultados obtidos com o WHAZAN
Foram calculados em função da distância ao
ponto de liberação a concentração de NH3 tendo como
objetivo obter a distância onde o ponto final tóxico é
ANALISE DE PERIGOS EM UMA INSTALAÇÃO DE PRODUÇÃO DE HEXAFLUORETO... 75
atingido ( equivalente a 200 ppm de NH3; referência
ERPG-2, “Emergency Response Planning
Guideline”(EPA,1998)) e a probabilidade de morte.
Considera-se duas condições de umidade relativa
do ar, 50% e 80%. Para cada condição de
umidade relativa foram propostas duas classes de
estabilidade atmosférica,Pasquill D (u = 3m/s) e
Pasquill F (u = 1m/s). Os resultados podem ser
comparados na Tabela 2. Observa-se que ocorre pouca
alteração dos resultados com a variação da umidade
relativa. Sendo as maiores distâncias alcançadas para
a umidade relativa de 80%.
3.2.2 Resultados obtidos com o RMP* Comp
A análise foi realizada com o programa
RMP*Comp utilizando os cenários para um caso
crítico de liberação “worst case”, que assume classe
F de estabilidade atmosférica, velocidade de vento (u)
igual a 1,5m/s, umidade relativa do ar de 50% e
temperatura do ar de 25ºC. Foram calculadas as taxas
de vaporização para cenários com e sem bacia de
contenção e a distância onde o ponto final tóxico é
atingido, considerando um tempo de 600 s de liberação.
Foi também analisado o caso de uma liberação de
amônia liquefeita por refrigeração. Os resultados
obtidos são apresentados na Tabela 3. Nota-se portanto
que as consequências podem ser mitigadas quando
adota-se alguma medida de proteção como bacia de
contenção.
Tabela 2. Resumo da avaliação da liberação de NH3
obtido com o WHAZAN
Humidade
Relativa
50%
80%
Ponto final
Probabilidade
tóxico (m)
de morte
Classe D Classe F Classe D Classe F
14200
21000 até 150m até 250m
14500
22000 até 150m até 250m
Tabela 3. Resumo da avaliação da liberação de NH3 obtido com o RMP*Comp.
Medida mitigadora
Taxa de vaporização (kgs-1)
Ponto final tóxico (m)
Pressurizada
não
sim
espaço fechado
333,3
184
15000
10900
3.3 - Liberação de HF
Foi proposto como caso limitante uma
liberação instantânea devido a um rompimento
catastrófico de um dos tanques de estocagem que se
encontra a 202,6 kPa e 25ºC, resultando numa
liberação de conteúdo total, 210 t de HF anidro líquido,
do qual uma fração vaporizará.
Refrigerada
Bacia com raio de
0m
15 m
20 m
30 m
333,3
5,82
0,98
23,3
15000 2300
3200
5500
No cálculo da taxa de vaporização, considerase umidade relativa de 80%, e diferentes valores de
velocidades do vento. Os valores críticos são iguais a
1 e 4 m/s. Na avaliação da dispersão atmosférica para
cada valor de velocidade de vento foi associado uma
categoria de estabilidade atmosférica, Pasquill F (u =
1 m/s) e Pasquill C (u = 4 m/s). A Tabela 4 apresenta
os resultados obtidos. O ponto final tóxico foi definido
como a concentração de 20 ppm corespondente ao
ERPG-2. Observando as taxas de vaporização
verifica-se que as maiores são produzidas quando
considera-se a velocidade de vento de 4 m/s, porém as
condições mais desfavoráveis para a dispersão
correspondem a estabilidade atmosférica classe F, pois
esta dificulta a dispersão da nuvem e representa
situações em que o ponto final tóxico é atingido a
distâncias muito grandes do ponto de liberação,
superior a 10 km.
3.3.1 - Resultados obtidos com o WHAZAN
Foram calculados, a taxa de vaporização, a
concentração em função da distância ao ponto de
liberação e a probabilidade de morte, para os casos:
•Caso A: não existe bacia de contenção ao redor do
tanque;
•Caso B1: considera-se a existência de uma bacia
de contenção de raio de 20 m;
•Caso B2: considera-se a existência de uma bacia
de contenção de 30m.
Tabela 4. Resultados da avaliação da liberação de HF, obtidos com o WHAZAN
Caso A
-1
Velocidade do vento (ms )
Taxa de vaporização máxima (kgs-1)
Estabilidade atmosférica
Ponto final tóxico (m)
Probabilidade de morte (%)
1
25,40
F
> 104
100
4
74,90
C
> 104
100
Caso B1
1
4
3,4
10
F
C
4
> 10
3300
100
100
Caso B2
1
4
7,3
21,52
F
C
4
> 10
5313
100
100
R. Un. Alfenas, Alfenas, 5:71- 76, 1999
76
M. P. de A. MARIN e J. M. de O. NETO
3.3.2 Resultados obtidos com o RMP*Comp
A análise foi realizada utilizando os cenários
para um caso crítico de liberação, “worst case”.
Calculou-se a taxa de vaporização para cenários com
e sem bacia de contenção e a distância onde o ponto
final tóxico é atingido (equivalente a 20 ppm; referência
ERPG-2). Os resultados são apresentados na
Tabela 5.
Tabela 5. Resultados da avaliação da liberação de
HF obtido com o RMP*Comp
Raio da Bacia (m)
0
15
20
30
Taxa de vaporização
(kgs-1)
350 5,3
9
21
Ponto final tóxico
(m)
> 40000 9000 13000 23000
3.4 - Liberação de HNO3
O caso limitante estudado é definido como
uma liberação instantânea devido a uma ruptura
repentina do tanque que se encontra a pressão de 202,6
kPa e 25ºC ocasionando uma liberação de 350 t. Os
cálculos foram efetuados utilizando somente o
programa RMP*Comp. A análise de consequências
foi realizada considerando-se uma solução de ácido
nítrico a 80%. Utilizou-se os cenários para um caso
crítico de liberação, “worst case”. Foram calculadas
as taxas de vaporização e a distância onde o ponto
final tóxico é atingido (equivalente a 10 ppm, referência
LOC-IDLH). Os resultados obtidos são apresentados
na Tabela 6.
Tabela 6. Resultado da avaliação da liberação de
HNO3
Raio da bacia (m)
0
Taxa de vaporização
(kgs-1)
5,12
Ponto final tóxico
(m)
6900
15
20
30
0,15
0,26
0,61
1000
1000
2300
4. CONCLUSÕES
Verifica-se portanto que embora a instalação
em estudo processe material nuclear (UF6) os maiores
perigos potenciais estão associados a materiais tóxicos
não radiotivos (NH3, HF e HNO3). Nota-se que a
liberação de HF é que causaria as piores
consequências, pois os impactos causados por sua
liberação poderiam atingir distâncias superiores a 40
km. A implantação de medidas mitigadoras (bacia de
contenção), contribuem sensivelmente para a
diminuição das consequências externas. Condições
R. Un. Alfenas, Alfenas, 5:71-76, 1999
atmosféricas favoráveis (classe D) também contribuem
para reduzir as consequências de uma liberação
acidental. Em alguns casos as consequências podem
até ficar contidas dentro dos limites da propriedade da
instalação (liberação de HNO3 e UF6).
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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