SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA
NUCLEAR ENERGY
Sumário da 6ª aula
1. Ciclo do combustível nuclear
2. Desmontagem de reactores nucleares
SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA
Energia Nuclear
6ª Aula
1
1. CICLO DO COMBUSTÍVEL NUCLEAR
• O ciclo do combustível nuclear descreve todas as operações
relacionadas com a obtenção e preparação do combustível, o
seu uso num reactor e o manuseamento do combustível usado.
• A ideia inicial era ter um
ciclo fechado em que o
combustível usado é
reciclado para uma nova
utilização.
O ciclo fechado do urânio
SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA
Energia Nuclear
6ª Aula
2
• Contudo, porque o preço do urânio fresco é baixo e porque o
processo de reciclagem conduz à formação de plutónio, um
material essencial para a construção de bombas atómicas,
alguns Países, como, por exemplo, os Estados Unidos, o Canadá
e a Suécia, optaram pelo ciclo aberto em que o combustível
usado é tratado imediatamente como lixo radioactivo
O ciclo aberto do urânio
SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA
Energia Nuclear
6ª Aula
3
• Em ambos os casos, o minério é extraído das minas e de modo a
produzir urânio na forma de óxido concentrado de urânio (U3O8).
• Este material é constituído por cerca de 0,7% de U235 sendo a
parte restante constituída por alguns traços de U234 e,
principalmente, U238.
• Apenas alguns reactores, como, por exemplo, os CANDU e
MAGNOX, podem operar com urânio natural. Para os restantes
tipos de reactores, a percentagem de U235 tem de ser aumentada
até valores entre 3% e 5%, num processo designado por
enriquecimento do urânio, o qual exige que este combustível
esteja no estado gasoso.
• Para isso, o urânio que saí das minas vai para uma fábrica de
conversão onde o óxido de urânio é purificado e transformado
em hexafluoreto de urânio (UF6) um elemento que permanece no
estado gasoso a temperaturas da ordem de 56 ºC.
SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA
Energia Nuclear
6ª Aula
4
• O UF6 é então sujeito ao processo de enriquecimento, no qual
cerca de 85% do urânio natural é rejeitado (urânio esgotado
(“Depleted uranium”) principalmente U238) e armazenado.
• Os processos de enriquecimento, difusão e centrifugação, estão
baseados na diferença de massa entre o U235 e U238. Embora a
capacidade volumétrica de uma centrifugadora seja muito menor
que a de uma difusora, o seu potencial de separação de isótopos
é muito maior.
• O processo de difusão consiste na passagem do gás sob
pressão por um conjunto de membranas com poros
microscópicos e está baseado nas diferentes velocidades médias
dos dois componentes principais do UF6.
• Como as moléculas mais leves passam os poros mais depressa,
ao fim da passagem do gás por um número elevado de
membranas (mais de 1000) é possível ter apenas gás de U235 já
que o U238 ficou para trás.
SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA
Energia Nuclear
6ª Aula
5
• Cada estágio de uma difusora consiste num compressor, numa
membrana e num permutador de calor que remove o calor da
compressão.
• A centrifugação consiste na sujeição do gás de UF6 a uma
rotação em muito alta velocidade (50 000 a 70 000 rotações por
minuto), o que conduz à separação das moléculas de massas
diferentes.
• A rotação muito elevada é necessário para que seja possível
separar isótopos de massas muito semelhantes (U235 e U238) já
que a eficiência do processo resulta do produto da massa pelo
quadrado da velocidade.
• Uma centrifugadora é constituída por uma sequência de cilindros,
cada um com cerca de 192 metros de comprimento e 15 a 20
centimetros de diâmetro.
• O gás de U235 vai-se concentrando junto ao eixo e passando de
um cilindro para o próximo por efeito da rotação do gás.
SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA
Energia Nuclear
6ª Aula
6
• No próximo estágio do ciclo do urânio é finalmente produzido o
combustível que vai ser utilizado num reactor.
 O UF6 enriquecido é convertido em óxido de urânio (UO2) na
forma de pastilhas cilíndricas com 2 cm de comprimento e 1.5
cm de diâmetro.
 Estas pastilhas são aquecidas a temperaturas muito elevadas
de modo a formarem pastilhas cerâmicas duras, as quais são
então carregadas em tudos com 4 m de comprimento, feitos
em aço inox ou em ligas de zircónio, os quais constituem as
barras de combustível.
 As barras são montadas em grupos quadrados com 30 cm
de lado para formarem os conjuntos de combustível para o
reactos.
 Esta forma de combustível é utilizada para alimentar os
reactores de água leve.
SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA
Energia Nuclear
6ª Aula
7
 Um reactor de 1 GWe tem 75 toneladas de combustível no seu
interior.
• Com a operação do reactor, o nível dos produtos de fissão e outros
absorventes de neutrões aumenta até valores que podem interferir
com as reacções em cadeia do U235 e do Pu239 entretanto formado
a partir do U238. Quando isto acontece, é necessário remover os
conjuntos de combustível. Num reactor de água leve, esta
operação ocorre tipicamente ao fim de três a quatro anos
• O combustível retirado do reactor está quente e radioactivo, pelo
que é necessário guardá-lo em água para remover o calor e para
blindar as radiações. Posteriormente o destino deste combustível
depende do tipo de ciclo que pretendemos implementar.
• No ciclo aberto, o combustível já arrefecido é armazenado no local
do reactor e posteriormente enviado para um local de
armazenamento à superfície ou no interior da crosta terrestre.
SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA
Energia Nuclear
6ª Aula
8
• No ciclo fechado, o combustível arrefecido é enviado para uma
instalação de reprocessamento.
• Aqui as barras de combustível são cortadas em pedaços e
dissolvidas em ácido.
• Os componentes valiosos, plutónio e urânio não gasto, são
recuperados e separados através de vários processos químicos.
• Estes processos deixam cerca de 3% do combustível como lixo
de alta-activação.
• Depois de solidificação, este lixo é reduzido a um pequeno
volume de um material altamente radioactivo que tem de ser
sujeito a disposição permanente.
• O reprocessamento do combustível usado tem inegáveis
vantagens económicas e ambientais.
SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA
Energia Nuclear
6ª Aula
9
• Do ponto de vista económico porque permite recuperar o plutónio
e o U235 que existem no combustível usado, o qual representa
cerca de 96% do combustível que inicialmente foi introduzido no
reactor
• A vantagem ambiental resulta da redução muito significativa da
quantidade de lixo radioactivo que é preciso armazenar.
• A principal desvantagem do reprocessamento está associada à
possibilidade das tecnologias que lhe estão associadas poderem
ser usadas para fins não-pacíficos, nomeadamente o plutónio.
• Este inconveniente será resolvido com um modelo da Geração IV
que permite efectuar o reprocessamento no interior do próprio
reactor.
• O plutónio que resulta do reprocessamento do combustível usado
pode ser utilizado para o fabrico de Mox (um combustível formado
por uma mistura de plutónio e urânio esgotado U238), um
combustível usado em certos reactores, ou para alimentar os
reactores reprodutores
SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA
Energia Nuclear
6ª Aula
10
Transformação do combustível num reactor de água leve ao fim de três anos
SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA
Energia Nuclear
6ª Aula
11
2. DESMONTAGEM DE REACTORES NUCLEARES
• A radioactividade de um reactor nuclear, no final da sua vida útil,
está relacionada maioritariamente (99%) associada ao
combustível que está no seu interior, o qual tem de ser removido
para ser reprocessado ou armazenado.
• A restante radioactividade resulta da contaminação do solo de
materiais, especialmente as componentes em aço, que foram
activadas pela sua irradiação por neutrões.
• Os átomos destas componentes transformaram-se em isótopos
diferentes como, por exemplo, Fe55, Co60, Ni63, e o C14. Os dois
primeiros têm radioactividade muito elevada, emitindo uma
quantidade apreciável de raios-.
• Ao fim de cerca de 50 anos esta radioactividade já diminuiu
significativamente, permitindo a intervenção humana directa.
SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA
Energia Nuclear
6ª Aula
12
• Ao fim de 100 anos após o fim da operação do reactor, o nível de
radioactividade caiu um factor de 100 000.
• Por estas razões é necessário proceder à desmontagem do
reactor, seguindo um dos três procedimentos típicos a seguir
indicados, consoante a política reguladora do País onde está
localizado o reactor
 Desmontagem imediata após o fim da operação do reactor.
 Este procedimento evita a transferência da responsabilidade
da desmontagem para as gerações futuras, permite libertar
mais cedo o local onde está o reactor do controlo das
Autoridades Reguladoras do Nuclear e utilizar as
competências do pessoal envolvido na operação do reactor.
 Tem, contudo, a desvantagem de estarmos a manusear
componentes activas, o que certamente implicará processos de
engenharia mais complexos, com o recurso muito provável a
meios robotizados;
SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA
Energia Nuclear
6ª Aula
13
Recinto seguro
 Nesta opção o local do reactor fica durante 40 a 60 anos
vedado ao acesso humano, até que a radioactividade decresça
até níveis que permitem a intervenção humana.
 De seguida procede-se à desmontagem do reactor e à
descontaminação do terreno. Esta opção permite reduzir os
custos devido aos processos menos sofisticados necessários
para a desmontagem. Tem, contudo, o inconveniente de libertar
mais tarde o local para outra utilização;
 Sepultura, através da redução ao mínimo da área onde está o
material radioactivo e seu posterior encapsulamento por uma
estrutura de betão que permita que este material deixe de ser
um motivo de preocupação.
SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA
Energia Nuclear
6ª Aula
14
• De acordo com a IAEA, em 2005 havia cerca de 90 reactores
nucleares em processo de desmontagem, estando já oito locais
onde anteriormente existiram centrais nucleares totalmente
recuperados e prontos para outra utilização.
• Os custos da desmontagem das centrais nucleares são elevados,
existindo três vias típicas para o seu financiamento:
 Através de um fundo externo à empresa exploradora
constituído a partir de uma taxa paga pelos consumidores por
cada kw.h de electricidade utilizada.
 Pré-pagamento através do depósito numa conta bancária,
antes do início da construção da central nuclear, da verba
necessária à sua desmontagem.
 Fundo interno, carta de crédito ou seguro que garantam que a
impresa exploradora vai proceder à desmontagem da central,
mesmo no caso de insolvência da empresa.
SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA
Energia Nuclear
6ª Aula
15
Tipo de reactor Custo em $ kWe
Tipo de reactor
Custo em $ kWe
PWR
200-500
VUER
330
BWR
300-550
CANDU
270-430
GCR
2600
Custos da desmontagem de um reactor nuclear
SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA
Energia Nuclear
6ª Aula
16