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Reator Nuclear: troca térmica e circulação de fluídos em Reatores
Nucleares
Centro Universitário de Santo André (UniA)
Graduação em Engenharia de Processos de Produção Fenômenos de Transporte, Termodinâmica e Transmissão de Calor Prof. Pedro Moreira de Godoy, Esp. (Orientador). pedrogodoy.pro@gmail.com Santo André, 28 de maio de 2009.
Glauco Luiz Drauzio de Cadengue e Silva , graduando em Engenharia de Processos de
Produção, UniA; Atuo como Inspetor de Fabricação na área Petrolífera, Moody International.
glauco_grupo@yahoo.com.br
Alan Torres da Silva , graduando em Engenharia de Processos de Produção, UniA; Atuo como
Trocador de Moldes na área Vidreira, Wheaton.
atsbic23@yahoo.com.br
Resumo : Este Paper tem como principal objetivo, ilustrar a troca térmica na circulação de fluídos em
Reatores Nucleares. Destaca-se também, as funções específicas de cada elemento que constituem os reatores, assim como os cálculos termodinâmicos envolvidos neste processo. Como não poderia deixar de citar; os cuidados devidos no que se refere à segurança dos Reatores Nucleares , fato que é vital quando se trata de geração de energia a partir de fissão nuclear.
Palavras-chave : Reator Nuclear. Varetas de Combustível. Vaso de Pressão. Contenção. Edifício Reator.
Segurança.
De uma forma simplificada, um Reator Nuclear é um equipamento onde se processa uma reação de fissão nuclear, assim como um reator químico é um equipamento onde se processa uma reação química. Um Reator Nuclear para gerar energia elétrica é, na verdade, uma Central Térmica, onde a fonte de calor é o urânio-235, em vez de óleo combustível ou de carvão. É, portanto, uma Central Térmica Nuclear. A grande vantagem de uma Central Térmica Nuclear é a enorme quantidade de energia que pode ser gerada, ou seja, a potência gerada, para pouco material usado (o urânio). Para que se possa ter uma idéia do volume de material combustível necessário para gerar a mesma quantidade de energia, destacamos a seguir os valores de energia gerados a partir dos combustíveis como exemplificados: Urânio 235 = 10g; Óleo = 700kg; Carvão = 1.200kg. O urânio-235, por analogia, é chamado de combustível nuclear, porque pode substituir o óleo ou o carvão, para gerar calor. Não há diferença entre a energia gerada por uma fonte convencional (hidroelétrica ou térmica) e a energia elétrica gerada por um Reator Nuclear. A bomba ("atômica") é feita para ser possível explodir, ou seja, a reação em cadeia deve ser rápida e a quantidade de urânio muito concentrado em urânio-235 (quer dizer, urânio enriquecido acima de 90%) deve ser suficiente para a ocorrência rápida da reação. Além disso, toda a massa de urânio deve ficar junta, caso contrário não ocorrerá reação em cadeia de forma explosiva. Um Reator Nuclear , para gerar energia elétrica, é construído de forma a ser impossível explodir como uma bomba atômica. Primeiro, porque a concentração de urânio-235 é muito baixa (cerca de 3,2%), não permitindo que a reação em cadeia se processe com rapidez suficiente para se transformar em explosão. Segundo, porque dentro do Reator Nuclear existem materiais absorvedores de nêutrons, que controlam e até acabam com a reação em cadeia, como, por exemplo, na "parada" do Reator Nuclear. Um Reator Nuclear do tipo que foi construído em Angra 1 e também aquele que está em fase de construção como o de Angra 2; são conhecidos como do tipo PWR, ou seja, “ Pressurized Water Reactor “, respectivamente: “ Reator a Água Pressurizada “, porque contém água sob alta pressão. O urânio, enriquecido a 3,2% em urânio-235, é colocado, em forma de pastilhas de 1 cm de diâmetro, dentro de varetas de 4m de comprimento, feitos de uma liga especial de zircônio, denominada "zircalloy". A Vareta de Combustível é a primeira barreira que serve para impedir a saída de material radioativo para o meio ambiente. As varetas, contendo o urânio, conhecidas como Varetas de Combustível, são montadas em feixes, numa estrutura denominada elemento combustível. As varetas são fechadas, com o objetivo de não deixar escapar o material nelas contido (o urânio e os elementos resultantes da fissão) e podem suportar altas temperaturas. Os elementos resultantes da fissão nuclear (produtos de fissão ou
fragmentos da fissão) são radioativos, isto é, emitem radiações e, por isso, devem ficar retidos no interior do Reator.
Figura 1 - Respectivamente da esquerda para direita, destaca-se a Vareta Combustível e as Pastilhas Combustível, utilizados em Reatores Nucleares refrigerados a H2O pressurizados. Fonte: Slide 3, bemtevi2.ipen.br/conteudo/upload/200807151437590.2.Fundamentos-5764.parte2.ppt
Barras de Controle (Figura 2) são na verdade tubos guias que existem na estrutura do Elemento Combustível, geralmente feitas de cádmio, material que absorve nêutrons, com o objetivo de controlar a reação de fissão nuclear em cadeia. Quando as barras de controle estão totalmente para fora, o Reator Nuclear está trabalhando no máximo de sua capacidade de gerar energia térmica. Quando elas estão totalmente dentro da estrutura do Elemento Combustível, o Reator Nuclear está parado, não havendo reação de fissão em cadeia.
Figura 2: No núcleo do Reator Nuclear estão presentes os combustíveis nucleares e as barras de controle. Fonte: Figura 5, http://www.portalsaofrancisco.com.br/alfa/meio-ambiente-energia-nuclear/reatores- nucleares.php
Os Elementos Combustíveis (Figura 3) são colocados dentro de um grande vaso de aço, com "paredes", no caso de Angra 1, de cerca de 33 cm e, no caso de Angra 2, de 23,5 cm. Esse enorme recipiente, denominado “Vaso de Pressão” do Reator Nuclear , é montado sobre uma estrutura de concreto, com cerca de 5 m de espessura na base. O Vaso de Pressão é a segunda barreira física que serve para impedir a saída de material radioativo para o meio ambiente. O Vaso de Pressão contém a água de refrigeração do núcleo do reator (os elementos combustíveis). Essa água fica circulando quente pelo gerador de vapor, em circuito, isto é, não sai desse sistema, chamado de circuito primário. Angra 1 tem dois Geradores de Vapor; Angra 2 terá quatro. A água que circula no Circuito Primário é usada para aquecer uma outra corrente de água, que passa pelo gerador de vapor. A outra corrente de água, que passa pelo Gerador de Vapor para ser aquecida e transformada em vapor, passa também pela turbina, em forma de vapor, acionando-a e em seguida, condensada e bombeada de volta para o gerador de vapor, constituindo um outro sistema de refrigeração, independente do primeiro; chamado circuito secundário. A independência entre o circuito primário e o circuito secundário tem o objetivo de evitar que, danificando-se uma ou mais varetas, o material radioativo (urânio e produtos de fissão) passe para o circuito secundário. É interessante mencionar que a própria água do circuito primário é radioativa.
Figura 3 : Seção de Elemento Combustível cilíndrico e equação ilustrando transferência de temperatura.
Equação 3: Balanço de energia para o refrigerante que escoa passando por uma seção do combustível de comprimento dz em z é dada conforme exposto na equação acima. Fonte: Slide 24, bemtevi2.ipen.br/conteudo/upload/200807151437590.2.Fundamentos-5764.parte2.ppt
Equação 4: Diferenciando a equação anterior, e igualando a zero, tem-se a posição onde T (^) s e TF são máximos. Fonte: Slide 25, bemtevi2.ipen.br/conteudo/upload/200807151437590.2.Fundamentos-5764.parte2.ppt
O Vaso de Pressão do Reator e o Gerador de Vapor são instalados em uma grande "carcaça" de aço, com 3,8 cm de espessura em Angra 1. Esse envoltório, construído para manter contidos os gases ou vapores possíveis de serem liberados durante a operação do Reator, é denominado Contenção. No caso de Angra 1, a Contenção tem a forma de um tubo (cilindro) em Angra 2 é esférica; sendo assim, a Contenção é a terceira barreira que serve para impedir a saída de material radioativo para o meio ambiente. Um último envoltório, de concreto, revestindo a Contenção, é o próprio Edifício do Reator. Tem cerca de 1 m de espessura em Angra 1 e construído em concreto e envolvendo a contenção de aço, é a quarta barreira física que serve para impedir a saída de material radioativo para o meio ambiente e, além disso, protege contra impactos externos do tipo: queda de aviões e/ou explosões. Apesar de um Reator Nuclear não poder explodir como uma bomba atômica, isso não quer dizer que não seja possível ocorrer um acidente em uma Central Nuclear. Por esse motivo, a construção de uma Usina Nuclear envolve vários aspectos de segurança, desde a fase de projeto até a construção civil, montagem dos equipamentos e operação. Um acidente é considerado nuclear, quando envolve uma reação nuclear ou equipamento onde se processe uma reação nuclear. O perigo potencial na operação dos Reatores Nucleares é representado pela alta radioatividade dos produtos da fissão do urânio e sua liberação para o meio ambiente. A filosofia de segurança dos Reatores Nucleares é dirigida no sentido de que as Usinas Nucleares sejam projetadas, construídas e operadas com os mais elevados padrões de qualidade e que tenham condições de alta confiabilidade. As barreiras físicas citadas constituem um “Sistema Passivo de Segurança”, isto é, atuam independentemente de qualquer ação. Para a operação do Reator Nuclear , sistemas de segurança são projetados para atuar, inclusive de forma redundante: na falha de algum deles, outro sistema, no mínimo, atuará, comandando, se for o caso, a parada do Reator. Na fase de projeto, são imaginados diversos acidentes que poderiam ocorrer em um Reator Nuclear, assim como a forma de contorná-los, por ação humana ou, em última instância, por intervenção automática dos sistemas de segurança, projetados com essa finalidade. São, ainda, avaliadas as conseqüências em relação aos equipamentos, à estrutura interna do Reator e, principalmente, em relação ao meio ambiente. Fenômenos da natureza, como tempestades, vendavais e terremotos, e outros fatores de risco, como queda de avião e sabotagem, são também levados em consideração no dimensionamento e no cálculo das estruturas. Um rigoroso controle da qualidade garante que estruturas, sistemas e componentes, relacionados com a segurança, mantenham os padrões de qualidade especificados no projeto.
Inspeções e auditorias são feitas continuamente durante o projeto e a construção e, posteriormente, durante a operação. A complexidade e as particularidades de uma Usina Nuclear exigem uma preparação adequada do pessoal que irá operá-la. Existe em Mambucaba, município de Angra dos Reis, um Centro de Treinamento para operadores de Centrais Nucleares, que é uma "reprodução" das salas de controle de Reatores do tipo de Angra 1 e 2, capaz de simular todas as operações dessa usinas, inclusive a atuação dos sistemas de segurança. Para se ter uma idéia do padrão dos serviços prestados por esse Centro, conhecido como simulador deve-se ressaltar que nele foram e ainda são treinados operadores para Reatores da Espanha, Argentina e da própria República Federal da Alemanha, responsável pelo projeto e montagem do Centro. Os instrutores são todos brasileiros que, periodicamente, fazem estágios em Reatores alemães, para atualização de conhecimentos e introdução de novas experiências nos cursos ministrados. O projeto de uma Usina Nuclear é fiscalizado e analisado, passo a passo, por uma equipe diferente da que o elaborou: o Órgão Fiscalizador. Da mesma forma, a construção é fiscalizada e auditada por equipes do Órgão Fiscalizador que não foram envolvidas diretamente ou indiretamente na obra. É claro que existem vazamentos em Reatores Nucleares , como existem em outras usinas térmicas. O que não existe é vazamento de Reatores Nucleares, como muitas vezes se faz crer pela mídia. As águas de refrigeração do Circuitos Primário e Secundário circulam por meio de bombas rotativas (para " puxar" a água) em sistemas fechados. Em qualquer instalação industrial e também nos Reatores Nucleares, bombas de refrigeração são colocadas em diques, como um "box" de banheiro, dotados de ralos, para recolher a água que possa vazar pelas "juntas". No caso de vazamento em Reatores, a água recolhida vai para um tanque, onde é analisada e tratada, podendo até voltar para o circuito correspondente. Aí está a diferença: podem existir vazamentos, inclusive para dentro da Contenção, ou seja, no Reator e não para o meio
ambiente, isto é, do Reator. Por esse motivo, os "vazamentos" ocorridos em 1986 (de água) e em 1995 (falhas em varetas), ambos dentro da instalação, não causaram maior preocupação por parte dos operadores de Angra 1. No segundo caso, a Usina operou ainda por cerca de três meses, sob controle, até a parada prevista para manutenção. Não houve parada de emergência. Em resumo e comparando com um fato do dia a dia: é como se uma torneira de uma pia em um apartamento estivesse com defeito, pingando ou deixando escorrer água (vazando). Existiria um vazamento no apartamento ou até no edifício mas não se deveria dizer que teria havido um vazamento do edifício. Duzentos e quarenta e dois reatores nucleares do tipo Angra (PWR) já foram construídos e estão em operação, ocorrendo em um deles um acidente nuclear grave, imaginado em projeto, sem conseqüências para o meio ambiente. Foi o acidente de Three Miles Island (TMI), nos Estados Unidos. Nesse acidente, vazaram água e vapor do Circuito Primário, mas ambos ficaram retidos na Contenção. Com a perda da água que fazia a refrigeração dos elementos combustíveis, estes esquentaram demais e fundiram parcialmente, mas permaneceram confinados no Vaso de Pressão do Reator. Houve evacuação parcial (desnecessária) da Cidade. O Governador recomendou a saída de mulheres e crianças, que retornaram às suas casas no dia seguinte. Ao contrário do esperado, muitas pessoas quiseram ir ver o acidente de perto, sendo contidas por tropas militares e pela polícia. Embora o Reator Angra 1 seja do mesmo tipo do de TMI , ele não corre o risco de sofrer um acidente semelhante, porque já foram tomadas as medidas preventivas que impedem a repetição das falhas humanas causadoras daquele acidente. O mesmo acidente não poderia ocorrer em Angra 2, porque o projeto já prevê essas falhas e os meios de evitar que elas aconteçam. O Reator de Chernobyl é de um tipo diferente dos de Angra. A maior diferença é devida ao fato de que esse Reator tem grafite no núcleo e não possui Contenção de aço. O combustível é o urânio-235 e o controle da reação de fissão nuclear em cadeia é feita da mesma forma: por meio de barras de controle, absorvedoras de nêutrons. As varetas de combustível são colocadas dentro de blocos de grafite , por onde passam os tubos da água de refrigeração, que vai produzir o vapor para acionar a turbina. A água passa entre as varetas de combustível, onde é gerado o vapor, não havendo necessidade de um gerador de vapor com essa finalidade, como em Angra 1. As dimensões do Vaso do Reator são muito maiores, por causa da montagem dos blocos de grafite. Por isso, o Edifício do Reator também tem proporções grandes. Ele funciona como contenção única, mas não é lacrado. A parte superior do compartimento do Vaso do Reator é uma tampa de concreto. Esse Reator permite que o Sistema de Segurança (desligamento automático) possa ser bloqueado e o Reator passe a ser operado manualmente, não desligando automaticamente, em caso de perigo ou de falha humana. Até aqui, já deu para se notar a diferença, em termos de Segurança Ativa e Barreiras Passivas, entre o Reator do tipo Chernobyl e o Reator do tipo Angra. O Reator estava parando para manutenção periódica anual. Estavam sendo feitos testes na parte elétrica com o Reator quase parando, isto é, funcionando à baixa potência. Para que isso fosse possível, era preciso desligar o Sistema Automático de Segurança, caso contrário, o Reator poderia parar automaticamente durante os testes, o que eles não desejavam. Os reatores deste tipo não podem permanecer muito tempo com potência baixa, porque isso representa riscos muito altos. Ainda assim, a operação continuou desta forma. Os operadores da Sala de Controle do Reator, que não são treinados segundo as normas internacionais de segurança, não obedeceram aos cuidados mínimos, e assim, acabaram perdendo o controle da operação. A temperatura aumentou rapidamente e a água que circulava nos tubos foi total e rapidamente transformada em vapor, de forma explosiva. Houve, portanto, uma explosão de vapor, que arrebentou os tubos, os elementos combustíveis e os blocos de grafite. A explosão foi tão violenta que deslocou a tampa de concreto e destruiu o teto do prédio, que não foi previsto para agüentar tal impacto, deixando o Reator aberto para o meio ambiente. Como o grafite aquecido entra em combustão espontânea, seguiu-se um grande incêndio, arremessando para fora grande parte do material radioativo que estava nos elementos combustíveis, danificados na explosão de vapor. Em resumo, é impossível ocorrer um acidente dessa natureza em Reatores do tipo PWR (Angra), por que: · O Sistema Automático de Segurança não pode ser bloqueado para permitir a realização de testes; · Os Reatores PWR usam água que, diferentemente do grafite, não entra em combustão quando aquecida; · Os Reatores PWR possuem uma Contenção de Aço e uma Contenção de Concreto em volta da Contenção de Aço; · O Vaso de Pressão do Reator PWR é muito mais resistente; · O Edifício do Reator (ou Contenção de Concreto) é uma estrutura de segurança, construída para suportar impactos, e e não simplesmente um prédio industrial convencional, como o de Chernobyl.
Referências
Ministério da Ciência e Tecnologia. CNEM-C0missão Nacional de Energia Nuclear. Rio de
Janeiro - 2003. Elaborado por Eliezer de Moura Cardoso. Colaboradores: Ismar Pinto Alves;
José Mendonça de Lima; Pedro Paulo de Lima e Silva; Cláudio Braz; Sonia Pestana. Disponível
em:
http://www.drashirleydecampos.com.br/noticias/2272. Acesso em: 12 jun. 2009.
