O documento descreve o funcionamento de usinas nucleares, incluindo o ciclo do combustível nuclear desde a mineração até o armazenamento de combustível usado. Discutem-se os principais processos de geração de energia elétrica, tipos de usinas térmicas, como ocorre a fissão nuclear e o controle da reação em cadeia. Também são detalhados os circuitos de uma usina PWR, características do elemento combustível e cálculos da potência térmica do reator.

1. Usinas Nucleares e o Ciclo do
Combustível Nuclear
Princípios e características

2. Principais formas de gerar
energia elétrica
As formas de energia de se gerar energia elétrica
são as seguintes :
• Eólica ( energia dos produzida pelos ventos )
• Solar ( através dos raios solares)
• Eletroquímica ( energia produzida em reações
químicas, por exemplo a célula combustível )
• Hidráulica ( energia produzida pela força da água )
• Térmica ( produzida pelo calor )

3. Tipos de Usinas térmicas
• Elementos fósseis ( carvão )
• Biomassa ( bagaço de cana e briquetagem )
• A gás natural e metano
• Nuclear

4. Usinas Nucleares
O que são Usinas Nucleares?
- São Usinas térmicas ou chamadas
termonucleares que, no processo de
geração de calor para gerar energia
elétrica utilizam energia nuclear

5. Como é produzido o calor ?
• Através do processo de fissão nuclear do
átomo de um material físsil é liberada
energia térmica ( calor ) para gerar energia
elétrica

6. Energia térmica da fissão do
( Urânio )U-235 da Usina
Nuclear de Angra II

7. Potência linear média nominal
das varetas de combustível da
Usina Nuclear de Angra II
• Potência de 208 W/cm

8. O que é fissão nuclear ?
• A fissão nuclear ocorre quando o núcleo de
um átomo de um elemento físsil é
bombardeado por nêutrons, ocorrendo a
fissão desse núcleo e a emissão de nêutrons,
fótons gama, partículas alfa e beta, energia
térmica e a transmutação ou decaimento
desse átomo em outro elemento radioativo

9. Fissão do urânio U-235

10. Qual a função do calor gerado ?
• Tem a função de aquecer a água em contato
com os elementos combustíveis, que irá
para um trocador de calor chamado gerador
de vapor. O vapor gerado é levado a turbina
que move o gerador elétrico gerando
energia elétrica.

11. Usina PWR ( Reator à água leve pressurizada )

12. A Usina é dividida em três
circuitos ou loops fechados
• Circuito primário – é o circuito responsável por gerar
calor, onde se encontra radiação e este circuito é isolado
do secundário
• Circuito secundário – circuito água-vapor responsável por
gerar vapor para as turbinas que irão mover o gerador
elétrico
• Circuito terciário ou de água de refrigeração – é o circuito
responsável por condensar o vapor que vem das turbinas,
através da água do mar

13. Turbina de Angra II

14. Como é controlada a fissão nuclear para controlar a
potência da Usina
• Na fissão do urânio U-235 são gerados 3 nêutrons rápidos que tem alta energia e
velocidade, e pequena probabilidade de se chocar com um átomo de urânio
• Para haver a fissão, é necessário que sejam nêutrons lentos ou térmicos porque tem
menor energia e velocidade, aumentando a probabilidade de choque com o átomo de
urânio e a eficiência na transferência de energia
• A água nesse caso tem duas funções : os nêutrons rápidos se chocam com as moléculas
de água, perdem energia e ficam lentos e a água transfere o calor para o gerador de vapor
• O controle é feito através de barras de controle e boro. As barras de controle são usadas
quando se necessita de variações lentas ou rápidas de potência, desligamento
emergencial, não sendo usada em operação normal. O Boro é usado na operação normal
da Usina sendo que a sua função é a de capturar os nêutrons excendentes. Quando se
deseja reduzir a potência da Usina, é injetado boro na água para aumentar a captura de
nêutrons e para o aumento de potência a água deve ser diluída ( reduzir a concentração
de boro ), com isso o controle é feito com a injeção e retirada de boro.

15. Controle da reação

16. Barreiras de Contenção

17. Características de operação
• Temperatura média do primário 308,6ºC
• Pressão do primário 157 bar
• Temperatura do vapor 280,3ºC
• Pressão do vapor 64,5 bar

18. Características do elemento
combustível
• Urânio U-235 enriquecido em 1,9%, 2,5% e
3,2%
• Cada elemento combustível tem 236 varetas
de combustível e 20 barras de controle

19. Elemento combustível

20. O núcleo do reator
• O núcleo do reator tem 193 elementos
combustíveis
• Com isso, o núcleo é composto de 45548
varetas de combustível, sendo que cada
vareta é composta de um certo número de
pastilhas de urânio
• O peso total de urânio é de 104000 Kg

21. Reator

22. Cavidade do Reator
•

23. Cavidade do Reator

24. Autonomia do Reator de Angra 2
• Na troca de elementos combustíveis dos
193 são trocados cerca de 1/3 ou
aproximadamente 64.
• Para gerar 1362MW por dia é necessária a
queima de 1 Kg de urânio
• Com isso, o ciclo irá durar
aproximadamente 10 meses

25. Cálculo da Potência térmica do
Reator
• P linear da vareta = 208 W/cm
• P da Vareta = 390 cm x 208 W/cm = 81,12 KW
• P do elemento Comb. = 81120 x 236 varetas = 19.144,32 KW
ou 19,14 MW
• P do Reator = 19,14432 MW x 193 elementos = 3.695,95 MW
térmicos ou 3,695 GW térmicos
• Como o ciclo térmico da Usina tem 34,5% de eficiência, a
Potência elétrica útil é de aproximadamente 1362 MW elétricos

26. Ciclo do Combustível
• Prospecção e Mineração
• Conversão
• Enriquecimento
• Reconversão
• Fabricação das Pastilhas
• Fabricação do Elemento Combustível
• Geração
• Armazenamento do Elemento Combustível usado

27. Mineração
• O urânio é um metal encontrado em
formações rochosas da crosta terrestre
• Etapas : descobrir a jazida, fazer sua
avaliação econômica, prospecção,
mineração e o beneficiamento

28. Mineração

29. Conversão
• É a transformação do yellowcake (U3O8 ) em
hexafluoreto de urânio ( UF6 )
• O urânio sob a forma de yellowcake é
dissolvido, purificado obtendo-se o urânio
nuclearmente puro.

30. Conversão

31. Enriquecimento
• O urânio U-235 é o isótopo físsil responsável pela reação
em cadeia nos reatores nucleares
• Atualmente o processo é feito no exterior, com a
tecnologia desenvolvida pelo CTMSP e o contrato
assinado, a INB através da FCN irá enriquecer o
combustível pelo processo de ultracentrifugação

32. Enriquecimento

33. Reconversão
• O hexafluoreto de urânio ( UF6 ) é
transformado em dióxido de urânio ( UO2 )
• Reconverter gás em pó é concentrar o
urânio de maneira apropriada para sua
utilização como combustível

34. Reconversão

35. Fabricação das pastilhas
• Prensa rotativa
• Forno de sinterização
• Retífica
• Medição a laser
• Pastilhas prontas

36. Processo de fabricação

37. Pastilhas de Urânio

38. Fabricação do Elemento Combustível
• É composto pelas pastilhas de dióxido de
urânio montadas em tubos de uma liga
metálica especial - o zircaloy - formando
um conjunto de varetas, cuja estrutura é
mantida rígida por reticulados chamados
grades espaçadoras.

39. Montagem do Elemento
Combustível

40. Geração
• O combustível é utilizado nas Usinas
Nucleares de Angra dos Reis

41. Angra I e II

42. Armazenamento do Elemento
Combustível usado
• O combustível usado é armazenado dentro
da Usina, na piscina de elementos
combustíveis usados, não tendo contato
nenhum com o ambiente interno da
contenção, pois o transporte é feito sob a
água.

43. Piscina de Elementos Combustíveis usados

44. Percentual nuclear

45. Conclusão
Wilma dos Santos Bastos
Instituto de Engenharia Nuclear/CNEN
( .... ) as reservas de urânio existentes no país ( 6a reserva do mundo )
se utilizada em reatores rápidos, fariam o país gerar energia
equivalente a todo o petróleo do mundo árabe.
O futuro da energia nuclear no país é, sobretudo, um problema
político e, enquanto estiver ligado a interesses econômicos do
mercado externo, não terá solução satisfatória. Desenvolvimento
estará sempre ligado a produção de energia e o modo pelo qual ela é
gerada define o grau de soberania do país.