Reatores nucleares de água pressurizada são os reatores que utilizam o urânio enriquecido e moderado e são arrefecidos utilizadndo água leve (H2O) pressurizada. Nesse tipo de reator há um circuito primário de circulação de água refrigerante a alta pressão que não se vaporiza no núcleo do reator e é responsável pela refrigeração dos elementos combustíveis; essa água a alta temperatura passa por um trocador e calor vaporizando a água de um circuito secundário que é expandida na turbina.
Este tipo de reator é usado em cerca de 2/3 dos reatores nucleares que se dedicam à produção de energia eléctrica (um total de cerca de 450 reatores) sendo que os restantes são de água fervente (BWR). Este tipo de reator é o mais utilizado por ser o mais seguro. Isto porque, se houver um acidente em que o refrigerador se evapore, como também é o moderador, o reator pára imediatamente, não havendo perigo de perda de material radioactivo. No entanto, tem como inconvenientes que o reabastecimento obriga a parar o reator durante um mês e necessitar de urânio enriquecido como combustível.
Nos Reatores Nucleares do tipo PWR, é necessário haver a proporção de 32 átomos de urânio-235 para 968 átomos de urânio-238, em cada grupo de 1.000 átomos de urânio, ou seja, 3,2% de urânio-235.
O urânio encontrado na natureza precisa ser tratado industrialmente, com o objetivo de elevar a proporção (ou concentração) de urânio-235 para urânio-238, de 0,7% para 3,2%.
Para isso deve, primeiramente, ser purificado e convertido em gás.
O urânio encontrado na natureza precisa ser tratado industrialmente, com o objetivo de elevar a proporção (ou concentração) de urânio-235 para urânio-238, de 0,7% para 3,2%.
Para isso deve, primeiramente, ser purificado e convertido em gás.
Genericamente, um reator PWR é formado pelo núcleo que é um charuto oco em aço com cerca de 5 metros de diâmetro, 12 metros de altura e uma espessura de 25 cm. A parte superior do núcleo é amovível (abre-se para fazer o reabastecimento). O núcleo tem dois orifícios, entrando por um cerca de 5,0 m3/s de água “fria” e saindo pelo outro a mesma quantidade de água “quente”. Na sua construção, usam-se cerca de 400 toneladas de aço. A espessura do núcleo evita que sai radiação para o exterior.
No fundo do núcleo estão empacotados cerca de 40000 tubos feitos de uma liga especial de zircônio, denominada “zircalloy”, com cerca de 1 cm de diâmetro, 1,5 mm de espessura e 4 metros de comprimento. Usa-se o zircónio no estado quase puro porque não absorve neutrons e funde apenas a 1850 ºC.
Os tubos de zircónio são cheios de dióxido de urânio compactado em “moedas” com cerca de 1 cm de altura.Usa-se dióxido porque é um material cerâmico que funde apenas a 2750 ºC. O urânio, enriquecido a cerca de 3,2% em urânio-235, é colocado, em forma de pastilhas de 1 cm de diâmetro, dentro destes tubos (“varetas”) de zirconio de 4m de comprimento.
Os tubos de zircónio são cheios de dióxido de urânio compactado em “moedas” com cerca de 1 cm de altura.Usa-se dióxido porque é um material cerâmico que funde apenas a 2750 ºC. O urânio, enriquecido a cerca de 3,2% em urânio-235, é colocado, em forma de pastilhas de 1 cm de diâmetro, dentro destes tubos (“varetas”) de zirconio de 4m de comprimento.
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. A Vareta de Combustível é a primeira barreira que serve para impedir a saída de material radioativo para o meio ambiente.
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. A Vareta de Combustível é a primeira barreira que serve para impedir a saída de material radioativo para o meio ambiente.
Os reatores de Angra dos Reis são reatores a água pressurizada (PWR), ou seja, são reatores que empregam água como refrigerante e moderador. O moderador funciona diminuindo a velocidade dos nêutrons liberados durante a reação de fissão do 235U, aumentando a probabilidade de sua captura por outros núcleos de 235U e mantendo o reator em funcionamento. Uma das vantagens desse tipo de reator é que o aquecimento excessivo da água em seu interior diminui o aproveitamento. Isso ocasiona uma redução da frequência de ocorrência de novas fissões, fazendo a temperatura da água também diminuir, evitando uma elevação contínua e, consequentemente, um acidente nuclear.
Os tubos agrupam-se em conjuntos de 256 espaçados entre si cerca de 1 cm, formando um favo circular ou quadrado com cerca de 20 cm de diâmetro. O núcleo contém entre 150 e 200 favos espaçados entre si cerca de 10 cm e dispostos de forma circular. No total haverá entre 70 e 130 toneladas de dióxido de urânio enriquecido dentro dos tubos que utilizam cerca de 20 toneladas de zircónio.
Estão ainda dentro do reator cerca de 1000 varras de uma liga absorvente de neutrons que, entrando ou saindo do meio do combustível, servem para controlar quantos novos átomos instáveis são formados por cada um que explode (o seu nível de atividade). Inicialmente o combustível produz neutrons em demasia pelo que as varas estão misturadas no meio dos tubos que contêm o combustível sendo que são retiradas ao longo do tempo. O sistema que retira as varas absorventes está dentro do charuto, na sua parte superior.
Estão ainda dentro do reator cerca de 1000 varras de uma liga absorvente de neutrons que, entrando ou saindo do meio do combustível, servem para controlar quantos novos átomos instáveis são formados por cada um que explode (o seu nível de atividade). Inicialmente o combustível produz neutrons em demasia pelo que as varas estão misturadas no meio dos tubos que contêm o combustível sendo que são retiradas ao longo do tempo. O sistema que retira as varas absorventes está dentro do charuto, na sua parte superior.
O charuto está completamente preenchido de água desmineralizada que funciona como moderador, arrefece o combustível para que os tubos de zircónio não fundam e transporta a energia térmica do reator para o exterior. A água do núcleo mantém-se a uma temperatura próxima dos 350ºC e uma pressão próxima das 100 atmosferas.
O uso de água como moderador torna o reator muito seguro porque se, por acidente, a água fugir do núcleo, a reacção em cadeia pára imediatamente. No entanto, o hidrogénio absorve neutrons (formando deutério). Pelo contrário, o carbono não captura neutrões pelo que um reator moderado a grafite e refrigerado a dióxido de carbono utiliza urânio natural como combustível. No entanto, em caso de acidente, pode acontecer a fusão do núcleo, como em Chernobyl.
O uso de água como moderador torna o reator muito seguro porque se, por acidente, a água fugir do núcleo, a reacção em cadeia pára imediatamente. No entanto, o hidrogénio absorve neutrons (formando deutério). Pelo contrário, o carbono não captura neutrões pelo que um reator moderado a grafite e refrigerado a dióxido de carbono utiliza urânio natural como combustível. No entanto, em caso de acidente, pode acontecer a fusão do núcleo, como em Chernobyl.
No reator de água pressurizada o núcleo está ligado a um permutador de calor que transfere a energia térmica do reator para um circuito secundário que acciona a turbina a vapor. Vinda do núcleo, entra no permutador 5m3/s de água a cerca de 350ºC que sai a cerca de 150ºC. Na parte do circuito secundário, entra no permutador 5m3/s de água a cerca de 70ºC que sai a cerca de 330ºC para um expansor em que transforma a água em vapor. Mesmo assim, é necessário utilizar o mesmo sistema de “câmaras” para garantir a estanqueidade das bombas de recirculação.
O permutador de calor é um conjunto de tubos finos (por onde circula do circuito primário) que estão dentro de um tubo grosso (por onde circula a água do circuito secundário). Existem cerca de 4000 tubos finos com cerca de 25 mm de diâmetro exterior, uma espessura de 12,5 mm e 20 metros de comprimento. O tubo exterior tem cerca de 5 metros de diâmetros, 12,5 mm de espessura e 20 metros de comprimento. O permutador é de aço, sendo necessárias 400 toneladas para a sua construção.
O permutador de calor é um conjunto de tubos finos (por onde circula do circuito primário) que estão dentro de um tubo grosso (por onde circula a água do circuito secundário). Existem cerca de 4000 tubos finos com cerca de 25 mm de diâmetro exterior, uma espessura de 12,5 mm e 20 metros de comprimento. O tubo exterior tem cerca de 5 metros de diâmetros, 12,5 mm de espessura e 20 metros de comprimento. O permutador é de aço, sendo necessárias 400 toneladas para a sua construção.
Para controlar a pressão dentro do circuito que inclui o reacor e o permutador, existe um equipamento, denominado pressurizador, que é um charuto idêntico ao núcleo mas mais pequeno. Serão usadas cerca de 200 toneladas de aço na sua construção.
Todo este conjunto construído em aço, que se denomina por reator ou circuito primário, é revestido internamente por uma liga anti-corrosão de aço inoxidável. Serão usadas cerca de 10 toneladas de aço inoxidável.
Por questões de segurança, o circuito primário, que é formado pelo núcleo, o pressurizador, o permutador de calor e tubos a ligar estes equipamentos, está contido dentro de uma esfera de aço estanque com um diâmetro aproximado de 50 m e uma espessura de 3,5 cm que é pousada num chão ovalizado em betão armado com cerca de 3,5 m de espessura. Esta esfera, que se denomina de retenção, tem como objectivo a contenção de toda a energia do núcleo se este explodir sem perda de radioatividade para o exterior. Na construção da esfera de retenção são usadas cerca de 2000 toneladas de aço e 4000 m3 de betão.
Ainda por questões de segurança, para prevenir qualquer acidente externo como seja a queda de um avião, o choque e explosão de um camião com explosivos, etc., a esfera de contenção está dentro de um domo de betão armado cujas paredes têm cerca de um metro de espessura. São usadas cerca de 8000 m3 de betão. Em termos visuais, o domo é a uma característica que permite identificar nas fotografias as centrais nucleares.
Por questões de segurança, o circuito primário, que é formado pelo núcleo, o pressurizador, o permutador de calor e tubos a ligar estes equipamentos, está contido dentro de uma esfera de aço estanque com um diâmetro aproximado de 50 m e uma espessura de 3,5 cm que é pousada num chão ovalizado em betão armado com cerca de 3,5 m de espessura. Esta esfera, que se denomina de retenção, tem como objectivo a contenção de toda a energia do núcleo se este explodir sem perda de radioatividade para o exterior. Na construção da esfera de retenção são usadas cerca de 2000 toneladas de aço e 4000 m3 de betão.
Ainda por questões de segurança, para prevenir qualquer acidente externo como seja a queda de um avião, o choque e explosão de um camião com explosivos, etc., a esfera de contenção está dentro de um domo de betão armado cujas paredes têm cerca de um metro de espessura. São usadas cerca de 8000 m3 de betão. Em termos visuais, o domo é a uma característica que permite identificar nas fotografias as centrais nucleares.
Da esfera de retenção e do domo apenas sai a vapor de água quente (a cerca de 330ºC) que vai para a turbina e que volta a entrar mais fria (a cerca de 70ºC).
A partir do vapor do circuito secundário, a central nuclear é igual a uma central termoeléctrica a carvão em que o circuito primário substitui a fornalha onde é queimado o carvão e o equipamento que faz a gestão e alimentação do carvão à fornalha. Em termos de construção, o circuito primário juntamente com a esfera de contenção e o domo de betão utilizam cerca de 3000 toneladas de aço, 10 toneladas de aço inoxidável e 12000 m3 de betão armado.
A partir do vapor do circuito secundário, a central nuclear é igual a uma central termoeléctrica a carvão em que o circuito primário substitui a fornalha onde é queimado o carvão e o equipamento que faz a gestão e alimentação do carvão à fornalha. Em termos de construção, o circuito primário juntamente com a esfera de contenção e o domo de betão utilizam cerca de 3000 toneladas de aço, 10 toneladas de aço inoxidável e 12000 m3 de betão armado.
No circuito secundário, o vapor que acciona a turbina é arrefecido numa torre de refrigeração e volta ao permutador de calor. Numa central de 1000 MW entram 40 m3/s de água fria na torre de refrigeração que sai aquecida em cerca de 10ºC. Da torre de refrigeração sai muito vapor de água, que parece fumo mas é apenas água, cerca de 1,5% da água que entra. O circuito secundário é fechado principalmente porque o líquido utilizado é água desmineralizada cuja produção implica um custo. Por outro lado, acrescenta um nível de segurança.
Numa central nuclear, para acrescentar mais um nível de segurança, é construída uma barragem de onde é retirada a água e que recicla a água que sai da torre de refrigeração. Como a água que retorna à barragem está aquecida cerca de 20ºC, é necessário que se mantenha durante pelo menos 15 dias a arrefecer. Assim, o volume da barragem deve corresponder a 15 dias de laboração (50 milhões de m3) que se acrescenta com entrada de água nova para compensar a que se evapora (cerca de 1 m3 por segundo). Por outro lado, a existência deste volume de água permite que, no caso de interrupção do fornecimento de água nova, a central possa funcionar normalmente durante um ano.
Numa central nuclear, para acrescentar mais um nível de segurança, é construída uma barragem de onde é retirada a água e que recicla a água que sai da torre de refrigeração. Como a água que retorna à barragem está aquecida cerca de 20ºC, é necessário que se mantenha durante pelo menos 15 dias a arrefecer. Assim, o volume da barragem deve corresponder a 15 dias de laboração (50 milhões de m3) que se acrescenta com entrada de água nova para compensar a que se evapora (cerca de 1 m3 por segundo). Por outro lado, a existência deste volume de água permite que, no caso de interrupção do fornecimento de água nova, a central possa funcionar normalmente durante um ano.
Em um típico reator de água leve pressurizada comercial (1) o núcleo dentro do vaso do reator gera calor, água (2) sob pressão no circuito de arrefecimento primário que leva o calor para o gerador de vapor (3), dentro do gerador de vapor, o calor do vapor, e (4) a linha de vapor direciona o vapor para a turbina principal, fazendo com que ele vire o gerador da turbina, que produz eletricidade. O vapor não utilizado está esgotado para o condensador, onde é condensado em água. A água resultante é bombeada para fora do condensador com uma série de bombas, requentado e bombeado de volta para o reator. O núcleo do reator contém conjuntos de combustível que são refrigerados por água a circular usando bombas eletricas. Estas bombas e outros sistemas operacionais recebem o poder da rede elétrica. Se o poder externo é perdido, a água de arrefecimento de emergência é fornecida por outras bombas, o que pode ser alimentado por geradores a diesel no local. Outros sistemas de segurança, tais como o sistema de contenção de refrigeração, também precisam de energia. Reatores pressurizados a água conter entre 150-200 conjuntos de combustível.
EXEMPLO COMERCIAL DE UM REATOR NUCLEAR DE ÁGUA PRESSURIZADA
O reator da central nuclear do Trillo, Castilla-La Mancha, Espanha, é um exemplo típico de um reacor moderno vocacionado para a produção de energia eléctrica. Este reator foi construído na década de 1980, teve uma incorporação nacional espanhola de 80% e começou a produção de 1000 MW de energia eléctrica em 1988.
O núcleo do reator é formado por 41772 tubos de zircónio de 10,7 mm de diâmetro e 1,5 mm de espessura agrupados em 177 hexágonos formados por 236 tubos cada. Dentro dos tubos estão 92 toneladas de óxido de urânio concentrado a 3.9% de U235 estando o dióxido compactado em “moedas” com 9.1 mm de diâmetro.
Tem 1004 varas de uma liga de prata, índio e cádmio que controlam a actividade do reator pela absorção de neutrões.
Em cada ano a central pára um mês para substituir 25% das varas de combustível (24 toneladas de óxido de urânio e respectivos tubos de zircónio).
O gerador eléctrico produz 1066 MW de energia eléctrica durante 11 meses por ano (90% do tempo, 8000 horas por anos), perdendo-se para o meio ambiente cerca de 2000 MW de calor. Parte da energia gerada, cerca de 6%, é utilizada no funcionamento da central.
Comparando com uma central a carvão de 1000 MW a funcionar 90% do tempo, em vez das 92 toneladas de urânio, consome de 1.3 milhões de toneladas de carvão por ano (100 camiões por dia com 40 toneladas cada) e emite para a atmosfera 3,8 milhões de toneladas de dióxido de carbono e, entre outros metais pesados, 2,5 toneladas de urânio.
O núcleo do reator é formado por 41772 tubos de zircónio de 10,7 mm de diâmetro e 1,5 mm de espessura agrupados em 177 hexágonos formados por 236 tubos cada. Dentro dos tubos estão 92 toneladas de óxido de urânio concentrado a 3.9% de U235 estando o dióxido compactado em “moedas” com 9.1 mm de diâmetro.
Tem 1004 varas de uma liga de prata, índio e cádmio que controlam a actividade do reator pela absorção de neutrões.
Em cada ano a central pára um mês para substituir 25% das varas de combustível (24 toneladas de óxido de urânio e respectivos tubos de zircónio).
O gerador eléctrico produz 1066 MW de energia eléctrica durante 11 meses por ano (90% do tempo, 8000 horas por anos), perdendo-se para o meio ambiente cerca de 2000 MW de calor. Parte da energia gerada, cerca de 6%, é utilizada no funcionamento da central.
Comparando com uma central a carvão de 1000 MW a funcionar 90% do tempo, em vez das 92 toneladas de urânio, consome de 1.3 milhões de toneladas de carvão por ano (100 camiões por dia com 40 toneladas cada) e emite para a atmosfera 3,8 milhões de toneladas de dióxido de carbono e, entre outros metais pesados, 2,5 toneladas de urânio.
A seguir, postamos alguns videos de como funciona um reator nuclear de água pressurizada, pena que os videos estão em ingles, mas tmos certeza que vai ajudar muito no entendimento de todos.
Reator nuclear PWR
Pressurized water Reactor
How PWR works
Fontes: www.Youtube.com.br
http://www.cnen.gov.br/ensino/apostilas/energia.pdf
Fep Working Pappers - Energia nuclear( Pedro costa vieira)
Sala de leitura - Energia nuclear e Impacto Ambiental
CNEM - Apostila educativa ( Energia nuclear) www.cnem.gov.br
