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O AUMENTO DA POTÊNCIA DO REATOR TRIGA IPR-1:NOVAS PERSPECTIVAS DE ATIVIDADES
Fausto Maretti Júnior e Paulo Fernando Oliveira
Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear/ CNEN
Caixa Postal 941
30123-970, Belo Horizonte, Minas Gerais, Brasil
e mail: [email protected]
RESUMO
O Reator TRIGA Mark I IPR-R1 opera no Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear,
originalmente Instituto de Pesquisas Radioativas, em Belo Horizonte, Minas Gerais, desde 6 de
Novembro de 1960. Inicialmente operou para produção de radioisótopos para diferentes usos, sendo
mais tarde utilizado em larga escala para outros propósitos como análises por ativação com nêutrons
e treinamento de operadores de reatores de centrais nucleares. Muitas teses de mestrado e doutorado
também foram desenvolvidas com o uso do reator. Ao longo dos anos, diversos melhoramentos
foram introduzidos no reator e seus sistemas auxiliares, com o intuito de prover melhor
aproveitamento de suas instalações e com o objetivo de otimizar o uso do mesmo e também de
aumentar a segurança na operação. O reator chega aos 42 anos, com um programa de aumento de
potência para 250 kW, no mesmo ano em que o Centro completa 50 anos de fundação, o qual
permitirá ampliar as aplicações nucleares programadas para o mesmo. Já foram modificados o
Manual de Operação e o Relatório de Análise de Segurança, bem como o Plano de Emergência e os
procedimentos relativos ao mesmo. Em meados de 2002, o reator já estará operando na nova
potência. Esse trabalho apresenta um descrição das diversas realizações dos últimos anos e
comentários sobre a possibilidade de novas utilizações para o reator nas diversas áreas de aplicações
nucleares.
Keywords: research reactor, activation analysis, radioisotopes, environment, reactor uses
I. INTRODUÇÃO
O Reator TRIGA Mark I IPR-R1 opera no Centro
de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear, originalmente
Instituto de Pesquisas Radioativas, em Belo Horizonte,
Minas Gerais, desde 6 de Novembro de 1960. Inicialmente
operou para produção de radioisótopos para diferentes usos,
sendo mais tarde utilizado em larga escala para outros
propósitos como análises por ativação com nêutrons e
treinamento de operadores de reatores de centrais nucleares.
Muitas teses de mestrado e doutorado também foram
realizadas através do uso do reator. Ao longo dos anos,
diversos melhoramentos foram introduzidos no reator e
seus sistemas auxiliares, com o intuito de prover melhor
aproveitamento de suas instalações e com o objetivo de
otimizar o uso do mesmo e também de aumentar a
segurança na operação.
O uso da energia nuclear como ferramenta de
trabalho ou mesmo como utilização secundária nos diversos
campos da ciência e tecnologia é bastante amplo e muitas
vezes mais fácil, rápida, e mais simples que muitos
métodos competitivos utilizados no mercado
Figura 1. Núcleo do Reator TRIGA IPR-R1
Através do uso de radioisótopos podemos
encontrar aplicações em praticamente todos os campos da
ciência e indústria, como utilização na Agronomia,
Biologia, Medicina. Geologia, Física, Veterinária e na
Indústria.
Os reatores nucleares de pesquisa têm contribuído
para a produção desses radioisótopos e através dos mesmos,
a ciência em geral, quer através de testes ou mesmo através
da utilização de radioisótopos artificiais, desenvolveu um
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número considerável de técnicas, processos e teorias, que
permitiram contribuir com uma melhor qualidade de vida
da população mundial.
II. PESQUISAS REALIZADAS COM O REATOR
TRIGA IPR-R1
Desde sua instalação em novembro de 1960, o
reator TRIGA MARK I IPR-R1, do Centro de
Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear em Belo
Horizonte, cujo núcleo é mostrado na Figura 1, têm
irradiado inúmeros alvos quer para produção de
radioisótopos ou para análises que utilizam técnicas
nucleares. Dentre esses trabalhos podemos destacar:
Análise por Ativação. Mais que 95% das amostras
irradiadas no reator foram destinadas à análise por meio de
ativação neutrônica. Na maioria destas análises foi efetuada
dosagem de urânio em minérios pela contagem dos
nêutrons atrasados de fissão. Destacam-se também análises
como contaminações de arsênio em rios, Mercúrio em
garimpos, indivíduos e alimentos, análises de minérios os
mais variados. Entre outros radioisótopos gerados para o
mesmo fim podemos destacar 20F, 28Al, 56Mn, 64Cu, 99Mo
101
Mo, 108 Ag, 122Sb, 125Sn, 128I-, 198Au, 233Th e outros
nuclídeos do grupo das terras raras [1,2,3].
Aplicações
Industriais.
Os
radioisótopos
produzidos para serem utilizados como traçadores
radioativos (56Mn, 59Fe, 60Co, 82Br, 198Au, 41Ar), foram
aplicados em estudos tais como: condições de escoamento
de oleoduto, medidas de vazão em bombas e turbinas
hidráulicas, estudos de desgastes provocados em
minerodutos, controle de desgaste em altos fornos,
determinação do tempo de permanência de clínquer em
moinhos de bola de fábricas de cimento, controle de
lingotamento em aciarias, inspeção de torres de
craqueamento de refino de petróleo. Ver Figura 2.
Figura 2. Aplicações na Indústria: Inspeções em
Turbinas a Vapor
Biologia e Medicina. Além da produção de 131 I para fins
de diagnóstico na glândula tireóide de indivíduos, foram
fabricados outros radioisótopos para realização de
pesquisas com Schistosoma Mansoni, incorporação de 24Na
em tumores de coelhos albinos, efeitos terapêuticos do
198
Au em infiltrações intra-articulares e razão de eliminação
de ferro na triotomidas com 59Fe.
Engenharia Ambiental. Foram realizados diversos estudos
de sedimentologia de fundo (transporte por arraste) e de
suspensão em diversos portos do Brasil utilizando os
radioisótopos -51Cr, 56Mn,82Br, 198Au e 192Ir. Foram feitas,
também, medidas de poluição oceânica por efluentes
líquidos e rejeitos sólidos e medidas de vazão de rios,
canais e ribeirões. Ver Figura 3.
Figura 3. Controle de poluição de rios e lagos
Dosimetria da radiação. Dosimetria gama no reator IPRR1, monitoração da potência do reator com 16N, utilização
de turmalina como dosímetro de nêutrons, etc.
Física do Estado Sólido e Nuclear. Efeito Mössbauer em
LiFeO2 e LiF, geração de defeitos com cromatos de
potássio e fosfato de amônia, formação de centros de cor e
dosagem de cristais como KCl, LiF, kunzita e turmalina.
Física de Reatores. Medidas de fluxo e distribuição de
nêutrons, medidas de reatividade no núcleo, espectrometria
de nêutrons com detectores de limiar, , medidas de seções
de choque para nêutrons de materiais.
Radioquímica. Estudos de radiólise em complexos de Co
e Cr, produção de 45Ca e 51Cr, determinação de Cu e Au
em cristais de KCl, dosagem de Au e Pt em rochas ultra
básicas, estudos sobre reação 108Cd (n, p) 108Ag,
determinação de diversos elementos em amostras diversas,
análise de urânio e tório em minérios, determinação de
contaminantes em tintas utilizadas em componentes de
reatores nucleares, determinação de metais pesados em
cabelo de pacientes acometidos de leucopenia e em soro
sangüíneo de empregados de siderurgia, estudos de
contaminantes em água de minas e rios, contaminação de
alimentos e cigarros, estudo de componentes químicos em
chás caseiros , entre outros [4,5].
Técnicas Nucleares. Implantação e implementação das
técnicas de autoradiografia e neutrongrafia para controle de
qualidade de aços especiais e outros materiais
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III. UTILIZAÇÃO EM CIÊNCIAS BIOLÓGICAS
As técnicas nucleares encontraram, nas últimas
décadas, um número expressivo de aplicações na pesquisa
de nutrição humana e também na eliminação de pragas e
doenças através de uso de compostos marcados utilizados
no controle de determinados insetos e bactérias.[6]
Através de traçadores isotópicos estáveis como
hidrogênio, carbono, nitrogênio e oxigênio, podemos
estudar o consumo de energia para adaptação metabólica
em regiões de baixo consumo protéico, a dieta terápica
usando alimentos locais para tratamento de doenças como
diarréias crônicas em crianças e mesmo infecções como a
Hepatite B.
IV. APLICAÇÕES EM ESTUDOS HIDROLÓGICOS
A manutenção da qualidade da água, assim como o
suprimento e renovação das fontes é um problema bem
conhecido, mas está ganhando maiores proporções com o
crescimento da população e das fontes de poluição no
mundo.
Antes da utilização de
radioisótopos e do
desenvolvimento da instrumentação para medidas acuradas
da radioatividade dos núcleos radioativos e estáveis, era
muito difícil e algumas vezes impossível solucionar certos
problemas de hidrologia, essenciais para o planejamento
agrícola, industrial e habitacional. As medidas de vazão em
turbinas e o controle de assoreamento de lagos, portos e
barragens, tiveram grande desenvolvimento com a
utilização dos radioisótopos radioativos. A figura 4
apresenta a barragem de Malta, cujos estudos de
assoreamento foram realizados através do uso de isótopos
radioativos.
através de sofisticados modelos matemáticos que, permitem
obter ainda mais informações das aplicações dos traçadores,
como os utilizados em um sistema de água subterrânea.
Os radioisótopos desempenham uma importante
função no estudo de:
Água Subterrânea. Origem, idade, distribuição,
qualidade da água, ocorrências e recarga, mecanismos e
interconexão entre bacias subterrâneas.
Água de Superfície. Dinâmicas de lagos e
reservatórios, vazamentos em barragens, estudo de
transporte subterrâneos, medidas de vazão de rios,
transporte de materiais em suspensão, taxa de
sedimentação.
Os métodos que utilizam radioisótopos são
normalmente utilizados juntos com aqueles métodos que
utilizam outros materiais de estudos hidrológicos
convencionais, atuando assim como uma ferramenta
adicional na solução de muitos problemas da hidrologia.
A utilização de radioisótopos pode ainda ser usada
no estudo de :
1. Determinação da idade de depósitos subterrâneos de
água, em locais áridos e semi-áridos, como auxílio para a
localização de áreas de desenvolvimento industrial, para
verificação se há contato entre as águas do lençol e ás águas
industriais.
2. Estabelecimento de métodos para estudos de poluição de
água ou de alta salinidade e suas causas.
3. Estudo de transferência subterrânea de bacias aqüíferas,
através de falhas e movimentação interna
4. Medição da dinâmica sedimentológica e determinação da
erosão causada por poluição, infiltrações e por movimentos
de terras.
5. Estudos de interações entre água subterrânea e a matriz
aqüífera através de isótopos ambientais e artificiais
6. Estudo da sedimentação de dejetos em portos e
barragens.
V. APLICAÇÕES AMBIENTAIS
Figura 4. Controle de vazão em barragens e represas
Muitos problemas fundamentais da hidrologia têm
nas técnicas com radioisótopos uma importante ferramenta
de trabalho para os hidrologistas, tornando-se em muitos
casos, a solução ideal para uma determinada atividade.
Os isótopos artificiais são usados para solucionar
problemas hidrológicos tais como vazamentos em
barragens ou definir zonas de proteção de reservatórios
subterrâneos. Muitas vezes outros dados são obtidos,
A poluição ambiental é hoje um problema mundial
e muitas vezes precisa de uma ação imediata. Na tomada de
ações contra a poluição deve-se levar em conta a
quantidade exata e os lugares de ocorrência dos poluentes,
as causas da poluição e como extinguir essa poluição, sem a
criação de outros efeitos indesejáveis. Assim estudos dessa
natureza têm sido realizados em refinarias e plantas
industrias de processamento de petróleo e usinas térmicas,
como por exemplo as usinas térmicas a carvão americanas.
Figura 5
Como os radioisótopos podem ser detectados em
quantidades muito pequenas e o seu caminho pode ser
seguido ou traçado, o estudo de poluentes, quer seja no ar,
no solo ou na água, com utilização desses radioisótopos,
tem sido muito utilizado ao longo dos anos.
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processos, medidas, automação e controle de qualidade.
Ver Figura 6.
O uso dos mesmos na indústria de placas de aço e
papel, tem permitido uma maior automação em algumas
linhas de produção.
As indústrias que utilizam técnicas de traçadores,
são :
1. aço, ferro, carvão, e petroquímica;
2. cimento, vidro, materiais de construção;
3. processamento mineral, polpa e papel;
4. metais não ferrosos e indústria automotiva.
Figura 5. Controle da Poluição Atmosférica
O aquecimento global, também chamado de efeito
estufa, com o contínuo aquecimento de nossa atmosfera,
tem sido causado pelas grandes quantidades de dióxido de
carbono através da queima de carvão e de matérias
orgânicas como o petróleo, madeira e lixo.
Os radioisótopos são bastante usados nas medidas
e no estabelecimento da trajetória desses poluentes e
métodos nucleares também podem ser empregados com
sucesso para remover poluentes gasosos, incluindo o gás
sulfídrico ou o óxido de nitrogênio, emitidos
principalmente pelas centrais térmicas a carvão.
Como a poluição do ar e da água é mais visível, a
poluição do solo começa a se tornar um problema, pois os
poluentes a cada dia se tornam mais presentes na cadeia
alimentar do homem e dos animais através do uso constante
de pesticidas.
Do mesmo modo, muitos dos fertilizantes
utilizados na agricultura se decompõem na forma de
produtos da oxidação do nitrogênio e podem se tornar um
sério problema. Os métodos nucleares têm sido utilizados
para determinar e apresentar soluções para combater essa
poluição.[7,8]
VI. APLICAÇÕES GEOLÓGICAS E DE DATAÇÃO
Os métodos nucleares têm um papel importante e
decisivo na geologia. São usados, por exemplo, para
determinar as propriedades físicas e químicas do solo.
Esses métodos são bastante utilizados na pesquisa
de rochas, solos e água.
Os minerais radioativos são uma parte importante
da geologia. São 19 elementos, dando origem a cerca de 45
ocorrências naturais de isótopos radioativos, podendo ser
analisados quanto a sua forma física ou mesmo quanto às
suas propriedades. Dos 19 elementos, os mais
representativos são o urânio, o tório e o potássio.
Na prospecção de muitos minerais e petróleo, os
métodos nucleares têm sido procedimentos de rotina com
utilização de instrumentação e métodos computadorizados.
VII. APLICAÇÕES INDUSTRIAIS
O uso de radioisótopos na indústria moderna é de
grande importância para desenvolvimento e melhoria de
Os traçadores são usados nas áreas de :
1. Desenvolvimento de Processos: tempo de residência,
taxa de fluxo, velocidade, modelagem,
2.Controle
de
Misturadores
utilizados
em
Homogeneização tempo e otimização de misturas e
desempenho de misturadores.
3. Manutenção Preventiva e Corretiva: detecção de
trincas, pesquisas de mau funcionamento, transporte de
materiais.
3. Controle de Desgaste e Corrosão: desgaste de turbinas,
processos de corrosão em equipamentos, estudos de
lubrificação.
Figura 6. Melhoria de Processos Industriais em
Refinarias
VIII. NOVAS PERSPECTIVAS PARA O REATOR
TRIGA IPR-R1
Com o aumento da potência do Reator TRIGA
IPR-R1 para 250 kW, o fluxo nos diferentes locais de
irradiação deverá ser acrescido de um fator aproximado de
2,5, o que permitirá que irradiações de meia vida longa
sejam feitas em um espaço de tempo menor.
Isso ira permitir que a produção de alguns
radioisótopos usados na indústria e outros utilizados em
hidrologia e sedimentologia possam ser produzidos no
mesmo, a um custo menor.
Além do treinamento dos operadores das centrais
de Angra I e Angra II, o reator nos últimos anos vem
possibilitando novos trabalhos através da irradiação de
radioisótopos que permitiram utilização em novos campos
da tecnologia em geral.
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Assim sendo passou a produzir em meados da décadas de
90, fontes de cobalto para uso em siderurgia. Essas fontes
utilizadas na indústria para controlar processos de
lingotamento tiveram seu projeto de fabricação modificado
por técnicos do reator, tendo apresentado melhor
performance que as que vinham sendo importadas dos
fornecedores europeus.
Com a utilização do método K0 tornou-se mais
ágil a irradiação de amostras e padrões permitindo maior
agilidade na obtenção de resultados de diferentes análises
do setor de radioquímica. Dentro da nova configuração do
reator, deverão ser elaboradas novas curvas de calibração, o
que permitirá a realização de novas análises. A Figura 7
apresenta a nova configuração do reator, com o acréscimo
de 4combustíveis novos.
Pela primeira vez em quarenta anos de operação
foi irradiado um gás no reator. Em colaboração com a
Universidade do Texas, foi irradiado o Argônio 40 para ser
utilizado em estudos de vazão e fuga em torres de
craqueamento de petróleo. A irradiação, realizada pela
primeira vez no país, alcançou pleno êxito, havendo já
consulta para novas irradiações para utilização em outros
estados. [9]
Figura 8. Estudos Arqueológicos em Cavernas de Minas
e Sertão da Bahia
Projetos de controle de rejeitos radioativos e não
radioativos como bário e arsênio, também utilizarão o
reator na irradiação de amostras que permitirão analisar os
contaminantes e o possível destino.
A irradiação de amostras com objetivo de controlar
os elementos minerais presentes na produção de
medicamentos inorgânicos tem como objetivo estudar a
eficiência dos mesmos nos diferentes tratamentos para os
quais são prescritos. [10]
Com a nova potência a 250 kW, será introduzido
no núcleo um combustível provido de instrumentação
térmica o qual permitirá a realização de experimentos na
área de estudos do comportamento térmico do combustível
e também de corrosão.
Encontra-se na fase final o licenciamento que
permitirá aumentar a potência do reator para 250 kW. Esse
aumento de potência permitirá ao reator maior utilização
através da diminuição do tempo de irradiação e aumento da
demanda de irradiação de radioisótopos de meia vida longa.
Ver Figura 9
Com a inspeção do núcleo realizada recentemente,
pode-se admitir que o reator poderá ser utilizado para outras
finalidades além dessas previstas durante a próxima década.
Figura 7. Configuração do núcleo do Reator TRIGA
IPR-R1 para operar a 250 kW
A Figura 8 mostra outro trabalho já iniciado, de
conservação de bens culturais e arqueológicos do país, que
exigirá irradiações de diferentes materiais no reator para
realização de estudos de fungos e bactérias em obras do
patrimônio histórico. O trabalho desenvolvido em conjunto
pelo CDTN e AIEA, em fase final de planejamento, tem
perspectivas de iniciar as irradiações em 2002.
Index
[8] INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY.
Nuclear Strategies in food and agriculture - 25 year of
progress - 1964/1989. Vienna: IAEA. 1989.
[9] PAIANO SOBRINHO, S. Avaliação de segurança
para irradiação de Ar-41 no IPR-R1 e operação de
transferência para recipientes de transporte.1996.NIAT4-005/96.CDTN.Belo Horizonte. MG.
[10] MARETTI JÚNIOR, F. Melhorias na qualidade de
vida através do uso de um reator nuclear de pesquisa.
Cadernos de Engenharia, v. 8, n° 10, p. 24-29, dez. 1999
Figura 9. O Reator TRIGA IPR-R1 do
CDTN/CNEN
ABSTRACT
REFERÊNCIAS
[1] SABINO, CVS, MANSUR, N., Aplicação da técnica
analítica por ativação neutrônica no reator de pesquisa
IPR-R1. In : CONGRESSO GERAL DE ENERGIA
NUCLEAR, 1, 1986, Rio de Janeiro, Anais... Associação
Brasileira de Energia Nuclear.
[2] MENEZES, M.A.B.C.. SABINO, C.V.S., Tório : uma
das aplicações analíticas da ativação neutrônica
espectrometria alfa no CDTN nas últimas três décadas.
In: CONGRESSO GERAL DE ENERGIA NUCLEAR, 3,
1990, Rio de Janeiro, Anais. ABEN
[3] MELO, M.Â.M.O. Determinação de 90Sr. em água. In:
ENCONTRO NACIONAL DE ANALISTAS DE
ALIMENTOS, 2, 1990, São Paulo, Anais. Instituto Adolfo
Lutz.
[4] SABINO, C.V.S., MANSUR, N., KASTNER, S.M.,
Determinação de 228Ra e 232Th em alimentos, In :
ENCONTRO NACIONAL DE ANALISTAS DE
ALIMENTOS, 2, 1990, São Paulo, Anais. Instituto Adolfo
Lutz
[5] SABINO, C.V.S., ROSSI, E.H.M., OLIVEIRA, R. ko
application in the study of average mineral composition
of a sample of the hair of healthy Brazilian children In:
2nd International ko user workshop, 1996, Lublyenia,
Slovenia , Proceedings ...
[6] INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY.
Isotopes in Everyday Life. Vienna: IAEA. 1990.
[7] INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY.
Regional co-operative arrangements for the promotion
of nuclear science and technology in Latin America.
Vienna: IAEA. 1989.
The IPR-R1 TRIGA MARK I Reactor is installed
at the Nuclear Technology Development Center, originally
Institute of Radioactive Research, in Belo Horizonte, Minas
Gerais, since November 06, 1960. At the beginning it
operated producing isotopes for different uses and later was
used in large scale to another purposes like NAA and
nuclear power plant operators training. Dozen of master and
doctor degree theses were developed using the reactor and
many courses were applied with its use.
Through the years many increases were introduced
at the reactor and its auxiliary systems, to provide better use
and optimization of its operation performance and safety.
The reactor, now with 42 years of use, have a upgrade
program to increase its power level to 250 kW, that will
permits increase the nuclear applications.
The documents of the reactor, as an Operation
Manual, Safe3ty Analysis Report, Emergency Plan and all
procedures related to the operations are ready. By the
middle of 2002 the reactor will operate to 250 kW, in the
same year that the Center completes 50 years of operation
This paper presents a description of all uses of the
reactor in the last years and comments about the
possibilities of new uses to the reactor in field of the
nuclear applications