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NUCLEAR ENERGY Sumário da 6ª aula Ciclo do combustível nuclear Desmontagem de reactores nucleares
2 O ciclo fechado do urânio
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
3 O ciclo aberto do urânio
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
4 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.
5 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.
6 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 ( a 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.
7 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.
8 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.
9 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.
10 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
11 Transformação do combustível num reactor de água leve ao fim de três anos
12 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.
13 Ao fim de 100 anos após o fim da operação do reactor, o nível de radioactividade caiu um factor de 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;
14 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.
15 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.
16 Custos da desmontagem de um reactor nuclear
Tipo de reactor Custo em $ kWe PWR VUER 330 BWR CANDU GCR 2600 Custos da desmontagem de um reactor nuclear