SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA
NUCLEAR ENERGY
Sumário da 4ª aula
1. Introdução à Fissão Nuclear
2. Elementos cindíveis
3. Reactor nuclear convencional
4. Central nuclear convencional
SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA
Energia Nuclear
4ª Aula
1
1. INTRODUÇÃO À FISSÃO NUCLEAR
• As reacções de fissão ocorrem quando o núcleo pesado de um
elemento cindível captura um neutrão.
• Os neutrões de baixa energia (lentos ou térmicos) podem causar
reacções de fissão somente nos isótopos de urânio e plutónio
com um número ímpar de neutrões (U233, U235 ou Pu239).
• A fissão de
núcleos com um
número par de
neutrões é apenas
possível quando o
neutrão incidente
possui energia
maior que 1 MeV
SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA
Secções eficazes de colisão de neutrões para a fissão
dos núcleos de urânio e plutónio
Energia Nuclear
4ª Aula
2
• A probabilidade de uma reacção de fissão é proporcional à
secção eficaz de colisão, a qual aumenta quando diminui a
energia do neutrão.
• É por isso que num reactor nuclear convencional existe um
moderador, cuja função consiste em reduzir a energia dos
neutrões até aos valores da energia cinética média dos átomos
cindíveis que os rodeiam.
• Um reactor rápido não possui moderador.
Distribuição, em percentagem, dos
produtos resultantes da fissão do
U235
SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA
Energia Nuclear
4ª Aula
3
2. ELEMENTOS CINDÍVEIS
• Os elementos cindíveis usados em reacções de fissão nuclear
são o urânio, o plutónio e o tório.
• O urânio é um elemento cerca de 1.7 vezes mais denso que o
chumbo, composto por átomos com um núcleo com 92 protões e
um número variável e elevado de neutrões: 143, 233, 235 ou 238
consoante o isótopo considerado.
• O U235 é um isótopo cindível porque o seu núcleo é hit por um
neutrão lento, formando-se como produtos das reacções
elementos com massas atómicas entre 95 e 135, tais como, Ba,
Kr, Sr, Cs, I e Xe.
SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA
Energia Nuclear
4ª Aula
4
• Algumas reacções típicas são:
U235 + n  Ba144 + Kr90 + 2n + energia
U235 + n  Ba141 + Kr92 + 3n + 170 MeV
U235 + n  Te139 + Zr94 + 3n + 197 MeV
• Os isótopos de bório e de krypton decaiem posteriormente para
isótopos mais estáveis de neodynium e ytrium, através da
emissão de vários electrões do núcleo (decaimento-b). É este
decaimento, com alguns raios- que lhe estão associados,
que tornam os produtos da fissão muito radioactivos.
SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA
Energia Nuclear
4ª Aula
5
• O U238 não é cindível num reactor convencional, mas é um
isótopo fértil na medida em que se transforma num elemento
cindível (P239) através da captura de um neutrão.
U238 + n  U239  Np239+ Partícula-   Pu239 + Partícula-
Pu239 + n  Pu240
Pu240 + n  Pu241  American241 + Partícula- 
• O plutónio P239 comporta-se num reactor como o U235, isto é, é
condível através da captura de um neutrão térmico.
• Contudo estas reacções de fissão têm uma fluência de neutrões
ligeiramente maior.
• As reacções de fissão do plutónio que ocorrem num reactor
nuclear são responsáveis por cerca de um terço da energia
gerada.
• As massas dos produtos destas reacções estão distribuídas à
volta de 100 e 135.
SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA
Energia Nuclear
4ª Aula
6
• As reacções de fissão nuclear podem ser usadas nas bombas
nucleares ou de uma forma controlada para benefício da
Humanidade.
• Neste último caso, podemos utilizar quer a energia quer a
radiação e/ou os neutrões produzidos nestas reacções.
• A energia libertada é usada na:
 Propulsão de submarinos e foguetões nucleares,
 Geração de electricidade nas actuais centrais nucleares
 Dessalinização da água dos oceanos
 Produção de hidrogénio para alimentar uma nova geração de
veículos motorizados.
• Os neutrões e a radiação são utilizados em aplicações científicas
ou médicas.
SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA
Energia Nuclear
4ª Aula
7
• Henri Becquerel identificou, em 1896, a radiação natural do urânio
• A primeira experiência de fissão nuclear foi realizada em 1938 em
Berlim por Otto Hahn, Lise Meitner e Fritz Stassmann.
• A primeira reacção em cadeia foi feita em 1942, em Chicago, por
Enrico Fermi.
• A geração de electricidade (100 kW) foi conseguida pela primeira
vez em 1951, num reactor da classe EBR-1, em Arco, nos Estados
Unidos
SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA
Energia Nuclear
4ª Aula
8
3. REACTOR NUCLEAR CONVENCIONAL
• Um reactor nuclear convencional é um dispositivo blindado onde
reacções de fissão nuclear em cadeia são iniciadas, controladas
e mantidas a uma taxa estacionária.
• As suas componentes principais são:
 O combustível, normalmente U235, U238, Pu239, T232 ou misturas
destes três elementos como, por exemplo, a mox, uma mistura
de óxidos de urânio e plutónio;
 O moderador, normalmente água, água pesada, hélio, grafite ou
sódio metálico, o qual reduz a energia dos neutrões até que eles
atinjam a energia cinética média dos átomos cindíveis que os
rodeiam. Num reactor que usa urânio natural, o moderador deve
ser grafite ou água pesada. Nos reactores que operam com
urânio enriquecido pode ser usada água. Os reactores nucleares
estão preparados para, nas situações de emergência,
adicionarem boro à água, já que aquele elemento ajuda a
controlar as reacções de fissão.
SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA
Energia Nuclear
4ª Aula
9
Esquema de uma central nuclear, baseada num reactor de água pressurizada
SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA
Energia Nuclear
4ª Aula
10
 O permutador de calor, normalmente água, água pesada,
dióxido de carbono, hélio ou sódio metálico, o qual transfere a
energia produzida pelas reacções de fissão para a turbina;
 O reflector, normalmente, água, água pesada, grafite ou urânio,
o qual aumenta a eficiência do reactor através da diminuição das
perdas de neutrões;
 A blindagem, feita normalmente com betão, chumbo, aço ou
água, a qual evita a emissão de radiação gama e de neutrões
rápidos;
 As barras de controlo, usualmente de cádio ou boro, as quais
absorvem muito bem os neutrões de modo a controlar as
reacções em cadeia;
 Os sistemas de controlo e segurança.
SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA
Energia Nuclear
4ª Aula
11
• Os reactores nucleares podem ser usados para produzir:
 Combustíveis nucleares (breeder reactors), neutrões e/ou outros
produtos ou fontes radioactivas para aplicações científicas ou
médicas (reactores de investigação);
 Calor para potência nuclear para utilização em submarinos e
foguetões nucleares ou para a geração de electricidade
(reactores de potência).
• Há, actualmente, no mundo cerca de 900 reactores nucleares,
sendo 260 do tipo reactor de investigação e 220 para
alimentação de submarinos nucleares.
SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA
Energia Nuclear
4ª Aula
12
4. CENTRAL NUCLEAR CONVENCIONAL
• As centrais nucleares, convencionais, são dispositivos que geram
grandes quantidades de electricidade, a partir de reacções de
fissão nuclear realizadas num ou mais reactores.
• A primeira central nuclear, localizada em Obninsk, na ex-União
Soviética, injectou em 1954, de uma forma experimental, 5 MW
de electricidade na rede pública.
• A primeira central nuclear comercial foi instalada em Sellafield,
no Reino Unido, com uma potência inicial de 50 MW,
posteriormente aumentada para 200 MW.
• A potência nuclear instalada cresceu inicialmente de uma forma
muito rápida, passando de menos de 1 GW em 1960 para 100
GW no final da década de 70 e para mais de 300 GW no final
dos anos 80.
SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA
Energia Nuclear
4ª Aula
13
• Posteriormente, e devido ao impacte na opinião pública dos
acidentes em Three Mile Island (em 1979), Chernobyl (em 1986)
e Toikamura (em 1999), o ritmo de construção de novas centrais
nucleares diminui fortemente, tendo mesmo alguns países
(Austria (em 1978), Suécia (em 1980) e Itália (em 1987)) decidido
formalmente não construir centrais nucleares ou mesmo
descontinuar as já existentes.
• Mais recentemente, alguns países como, por exemplo, a China e
a Índia, decidiram construir centrais nucleares, como forma de
responder ao grande aumento do consumo de electricidade.
• A potência nuclear atingiu cerca de 360 GW em 2005.
• Há, actualmente, cerca de 440 centrais nucleares em operação
em todo o mundo, especialmente concentradas na Europa,
América do Norte e Ásia.
SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA
Energia Nuclear
4ª Aula
14
País
CN (nº)
E (%)
África do Sul
2
6
Argentina
2
Bélgica
País
CN (nº)
E (%)
Alemanha
17
31
7
Arménia
1
43
7
56
Brasil
2
2
Bulgária
4
44
Canadá
18
15
China
10
2
Coreia do Sul
20
45
Eslováquia
7
56
Eslovénia
1
42
Espanha
8
20
Estados Unidos
103
19
Finlândia
4
33
França
59
79
Holanda
1
4
Hungria
4
37
Índia
16
3
Japão
55
29
Lituânia
1
70
México
2
5
Paquistão
2
3
Reino Unido
23
20
República Checa
6
31
Roménia
1
9
Rússia
31
16
Suécia
45
10
Suiça
5
32
Taiwan
6
20
Ucrânia
15
49
Número de centrais nucleares (CN) e o seu peso na geração de electricidade (E)
SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA
Energia Nuclear
4ª Aula
15
• Estas centrais satisfazem cerca de 7% do consumo mundial de
energia, através da geração de aproximadamente 16% da
electricidade consumida.
• Actualmente, o debate sobre a energia nuclear está a
regressar, motivado pelos seguintes factos:
 Muito provavelmente, ser difícil atingir os objectivos do Protocolo
de Quioto sem o recurso a todas as energias limpas.
 A indústria nuclear tem feito progressos muito significativos que
tornam os actuais reactores nucleares muito mais seguros e
eficientes do que os do passado.
• Em consequência deste facto, há 28 novas centrais nucleares
em construção e 62 planeadas, com incidência especial na
Ásia.
SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA
Energia Nuclear
4ª Aula
16
País
P
C
País
P
C
5
Bulgária
2
China
13
Coreia do Norte
1
Coreia do Sul
7
França
1
Índia
4
Irão
2
1
Japão
11
Rússia
8
3
Ucrânia
2
1
Roménia
Finlândia
7
1
Centrais nucleares planeadas (P) ou em construção (C)
SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA
Energia Nuclear
4ª Aula
17