17.2: Geração de eletricidade com energia nuclear

O ciclo do combustível nuclear

O minério de urânio deve ser extraído, moído e enriquecido para produzir combustível nuclear. O ciclo do combustível nuclear representa a progressão do combustível nuclear da criação ao descarte (figura\(\PageIndex{a}\)). A primeira etapa do ciclo do combustível nuclear é a recuperação do urânio, na qual o minério de urânio é extraído. Em seguida, é moído para produzir bolo amarelo (concentrado de minério de urânio/óxido de urânio/U ₃ O ₈). A moagem separa o urânio das outras partes do minério. Cada tonelada de minério de urânio extraído normalmente produz 1-4 libras de bolo amarelo (0,05% a 0,20% de bolo amarelo). Em seguida, o concentrado de minério de urânio é convertido em hexafluoreto de urânio (UF ₆). Em seguida, é enriquecido para aumentar a concentração de urânio-235 (²³⁵ U) em relação a ²³⁸ U. Durante a fabricação do combustível, o UF ₆ natural e enriquecido é convertido em dióxido de urânio (UO ₂) ou ligas metálicas de urânio para uso como combustível para usinas nucleares. O descarte de barras de combustível usado e outros resíduos perigosos gerados nesse processo são discutidos em Consequências da Energia Nuclear.

Figura\(\PageIndex{a}\): O ciclo do combustível nuclear começa com a recuperação (mineração) do urânio natural, seguida pela moagem, conversão e enriquecimento. O urânio enriquecido então passa por fabricação de combustível, produzindo dióxido de urânio (UO ₂) ou ligas metálicas de urânio (MOX). O combustível então vai para um reator nuclear na usina. As barras de combustível usadas são armazenadas em uma piscina ou barril seco, potencialmente reprocessadas e enviadas para descarte. O urânio reprocessado pode reentrar nas etapas anteriores do ciclo do combustível. Os resíduos produzidos durante o enriquecimento são desconvertidos antes do descarte. Imagem do NRC dos EUA (domínio público)

Reatores nucleares

O combustível, que agora está na forma de grânulos de cerâmica cilíndricos, é então selado em longos tubos de metal chamados barras de combustível, que são montados em núcleos de reatores junto com barras de controle. Cada pastilha de combustível, com cerca de 1 cm de comprimento, armazena a mesma quantidade de energia que uma tonelada de carvão. Milhares de barras de combustível formam o núcleo do reator, o local da fissão nuclear em uma usina nuclear (figura\(\PageIndex{b}\)).

Figura\(\PageIndex{b}\): Um conjunto de barras de combustível contendo pellets de combustível nuclear. Imagem da Comissão de Energias Alternativas e Energia Atômica, França (domínio público)

O calor é produzido em um reator nuclear quando os nêutrons atingem os átomos de urânio, fazendo com que eles se dividam em uma reação em cadeia contínua que libera energia térmica (figura\(\PageIndex{c}\)). Especificamente, a fissão de ²³⁵ U libera nêutrons adicionais, que então causam a fissão de núcleos próximos de ²³⁵ U. No entanto, se a fissão ocorrer em muitos átomos simultaneamente, muita energia é liberada, o que pode causar uma explosão ou fusão. Isso é evitado pelas barras de controle, que são feitas de um material como o boro, que absorve o excesso de nêutrons liberados na fissão nuclear. Quando as barras de controle de absorção de nêutrons são retiradas do núcleo, mais nêutrons ficam disponíveis para a fissão e a reação em cadeia acelera, produzindo mais calor. Quando eles são inseridos no núcleo, menos nêutrons estão disponíveis para a fissão, e a reação em cadeia diminui ou para, reduzindo o calor gerado.

Figura\(\PageIndex{c}\): Diagrama esquemático de uma reação em cadeia de fissão. (1) Um átomo de urânio-235 absorve um nêutron e fissão em dois novos átomos (fragmentos de fissão), liberando três novos nêutrons e energia. (2) Um desses nêutrons é absorvido por um átomo de urânio-238 e não continua a reação. Outro nêutron simplesmente se perde e não colide com nada, além de não continuar a reação. No entanto, um nêutron colide com um átomo de urânio-235, que então fissão e libera dois nêutrons e alguma energia de ligação. (3) Ambos os nêutrons colidem com átomos de urânio-235, cada um com fissão e liberação entre um e três nêutrons, e assim por diante. Imagem e legenda (modificadas) pela Fastfission (domínio público).

Os reatores nucleares (figura\(\PageIndex{d}\)) contêm o núcleo do reator e o maquinário necessário para gerar eletricidade a partir do calor liberado. O núcleo do reator está submerso na água. Além de transferir energia térmica, a água também serve para desacelerar ou “moderar” os nêutrons necessários para sustentar as reações de fissão. Em última análise, a energia térmica é usada para gerar vapor de alta pressão, que gira uma turbina para gerar eletricidade. O mecanismo é semelhante ao da eletricidade gerada por carvão ou gás natural, mas a fissão nuclear, em vez da combustão do carvão, é a fonte de energia térmica.

Figura\(\PageIndex{d}\): (1) Em um reator nuclear, barras de combustível cheias de pellets de urânio são colocadas na água. (2) Dentro das barras de combustível, os átomos de urânio se dividem, liberando energia. (3) Essa energia aquece a água, criando vapor. (4) O vapor se move através de uma turbina, que gira um gerador para criar eletricidade. (5) No condensador, o vapor esfria novamente em água, que pode então ser usado novamente. Em algumas usinas nucleares, calor extra é liberado de uma torre de resfriamento. Imagem e legenda (modificadas) pela EPA (domínio público).

Existem dois tipos principais de reatores nucleares: reatores de água pressurizada e reatores de água fervente.

Reator de água pressurizada

Em um reator de água pressurizada, há três fluxos de água separados: a água em contato com o núcleo do reator, a água que produz vapor e a água de resfriamento (figura\(\PageIndex{e}\)). O núcleo do reator está submerso na água, que é mantida por um recipiente de aço. Isso é cercado por uma estrutura de contenção. À medida que a reação de fissão nuclear aquece a água ao seu redor, a água é bombeada em um fluxo cíclico. Ele transfere calor para o segundo fluxo de água, que está em um recipiente separado. Esse segundo fluxo é mantido em uma pressão mais baixa, permitindo que a água ferva e crie vapor. O vapor gira uma turbina, gerando eletricidade. O vapor é então resfriado no condensador por um fluxo separado de água de resfriamento. Como a água do núcleo do reator não se mistura com outras partes do reator, nem todo o reator é radioativo.

Figura\(\PageIndex{e}\): Existem três fluxos separados de água em um reator de água pressurizada. O primeiro fluxo está associado ao núcleo do reator no vaso de pressão do reator. O segundo fluxo está associado ao gerador de vapor. O terceiro fluxo é de uma fonte externa e é usado para condensar o vapor. O vaso de pressão do reator contém barras de controle e barras de combustível (não rotuladas). O tanque de pressão regula a pressão da água. A água quente do reator se move para o gerador de vapor, onde aquece a água no segundo fluxo para produzir vapor. O vapor do gerador de vapor se move pela linha de vapor e gira uma turbina, alimentando o gerador elétrico. O vapor esfria no condensador e a água resfriada é então bombeada de volta para o gerador de vapor. O vaso de pressão do reator, o tanque de pressão e o gerador de vapor estão todos em uma estrutura de contenção. A água de uma fonte externa é usada para resfriar o vapor no condensador. A água da fonte externa esfria na torre de resfriamento em forma de cone. Imagem do Escritório de Energia Nuclear/Departamento de Energia dos EUA (domínio público).

Reator de água fervente

Em um reator de água fervente, há dois fluxos de água separados: a água em contato com o núcleo do reator e a água de resfriamento (figura\(\PageIndex{f}\)). O núcleo do reator aquece a água na qual está submerso. Essa água é retida por uma embarcação de aço cercada por uma estrutura de contenção. O vapor produzido quando o núcleo do reator aquece a água transforma uma turbina, que gera eletricidade. O vapor é então resfriado no condensador por um fluxo separado de água de resfriamento. Como a água do núcleo do reator entra em contato com todas as partes do reator, a coisa toda é radioativa.

Figura\(\PageIndex{f}\): Um reator de água fervente tem dois fluxos de água. No primeiro fluxo, a mesma água que banha o núcleo do reator no vaso de pressão do reator e se transforma em vapor e transforma uma turbina. O terceiro fluxo é de uma fonte externa e é usado para condensar o vapor. O vaso de pressão do reator contém barras de controle e barras de combustível (não rotuladas). Está dentro de uma estrutura de contenção maior. Quando a água é aquecida pelo reator, ela evapora em vapor. Isso se move pela linha de vapor e gira uma turbina, alimentando o gerador elétrico. O vapor esfria no condensador e a água resfriada é então bombeada de volta para o vaso de pressão do reator. A água de uma fonte externa é usada para resfriar o vapor no condensador. A água da fonte externa esfria na torre de resfriamento em forma de cone. Imagem do Escritório de Energia Nuclear/Departamento de Energia dos EUA (domínio público).

Atribuição

Modificado por Melissa Ha a partir das seguintes fontes:

• Fontes de energia não renováveis da AP Environmental Science da University of California College Prep (CC-BY). Baixe gratuitamente no CNX.
• Estágios do ciclo do combustível nuclear. 2020. NRC DOS EUA. Acessado em 16/01/2021 (domínio público).
• Explicação nuclear: O ciclo do combustível nuclear. 2020. Administração de Informações Energéticas dos EUA. Acessado em 16/01/2021 (domínio público).