17.2: Geração de eletricidade com energia nuclear
- Page ID
- 172616
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\( \newcommand{\dsum}{\displaystyle\sum\limits} \)
\( \newcommand{\dint}{\displaystyle\int\limits} \)
\( \newcommand{\dlim}{\displaystyle\lim\limits} \)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)
\( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\)
\( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\)
\( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)
\( \newcommand{\vectorA}[1]{\vec{#1}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorAt}[1]{\vec{\text{#1}}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorB}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vectorC}[1]{\textbf{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorD}[1]{\overrightarrow{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorDt}[1]{\overrightarrow{\text{#1}}} \)
\( \newcommand{\vectE}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash{\mathbf {#1}}}} \)
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\(\newcommand{\longvect}{\overrightarrow}\)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\(\newcommand{\avec}{\mathbf a}\) \(\newcommand{\bvec}{\mathbf b}\) \(\newcommand{\cvec}{\mathbf c}\) \(\newcommand{\dvec}{\mathbf d}\) \(\newcommand{\dtil}{\widetilde{\mathbf d}}\) \(\newcommand{\evec}{\mathbf e}\) \(\newcommand{\fvec}{\mathbf f}\) \(\newcommand{\nvec}{\mathbf n}\) \(\newcommand{\pvec}{\mathbf p}\) \(\newcommand{\qvec}{\mathbf q}\) \(\newcommand{\svec}{\mathbf s}\) \(\newcommand{\tvec}{\mathbf t}\) \(\newcommand{\uvec}{\mathbf u}\) \(\newcommand{\vvec}{\mathbf v}\) \(\newcommand{\wvec}{\mathbf w}\) \(\newcommand{\xvec}{\mathbf x}\) \(\newcommand{\yvec}{\mathbf y}\) \(\newcommand{\zvec}{\mathbf z}\) \(\newcommand{\rvec}{\mathbf r}\) \(\newcommand{\mvec}{\mathbf m}\) \(\newcommand{\zerovec}{\mathbf 0}\) \(\newcommand{\onevec}{\mathbf 1}\) \(\newcommand{\real}{\mathbb R}\) \(\newcommand{\twovec}[2]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\ctwovec}[2]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\threevec}[3]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cthreevec}[3]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fourvec}[4]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfourvec}[4]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fivevec}[5]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfivevec}[5]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\mattwo}[4]{\left[\begin{array}{rr}#1 \amp #2 \\ #3 \amp #4 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\laspan}[1]{\text{Span}\{#1\}}\) \(\newcommand{\bcal}{\cal B}\) \(\newcommand{\ccal}{\cal C}\) \(\newcommand{\scal}{\cal S}\) \(\newcommand{\wcal}{\cal W}\) \(\newcommand{\ecal}{\cal E}\) \(\newcommand{\coords}[2]{\left\{#1\right\}_{#2}}\) \(\newcommand{\gray}[1]{\color{gray}{#1}}\) \(\newcommand{\lgray}[1]{\color{lightgray}{#1}}\) \(\newcommand{\rank}{\operatorname{rank}}\) \(\newcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\col}{\text{Col}}\) \(\renewcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\nul}{\text{Nul}}\) \(\newcommand{\var}{\text{Var}}\) \(\newcommand{\corr}{\text{corr}}\) \(\newcommand{\len}[1]{\left|#1\right|}\) \(\newcommand{\bbar}{\overline{\bvec}}\) \(\newcommand{\bhat}{\widehat{\bvec}}\) \(\newcommand{\bperp}{\bvec^\perp}\) \(\newcommand{\xhat}{\widehat{\xvec}}\) \(\newcommand{\vhat}{\widehat{\vvec}}\) \(\newcommand{\uhat}{\widehat{\uvec}}\) \(\newcommand{\what}{\widehat{\wvec}}\) \(\newcommand{\Sighat}{\widehat{\Sigma}}\) \(\newcommand{\lt}{<}\) \(\newcommand{\gt}{>}\) \(\newcommand{\amp}{&}\) \(\definecolor{fillinmathshade}{gray}{0.9}\)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.

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\(\PageIndex{b}\)).

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.

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.

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.

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.

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).


