A operação de uma usina nuclear é semelhante à de qualquer outra usina termelétrica. Na verdade, uma usina nuclear é um tipo de usina termelétrica cuja função é gerar energia elétrica.
Existem vários tipos de usinas, mas o princípio de operação é o seguinte:
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Gerar reações nucleares para obter energia térmica.
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Gerar vapor de água com energia térmica.
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Acione uma turbina a vapor para obter energia mecânica.
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Dirija um gerador elétrico para obter eletricidade.
Uma usina nuclear é uma instalação na qual todo o processo é realizado. A diferença mais importante com as demais usinas termelétricas é a forma de obtenção da energia térmica. Em uma usina nuclear, a obtenção de calor é feita em reatores nucleares.
Obtenção de calor: O que é uma reação nuclear?
Uma reação nuclear é uma alteração no núcleo de um átomo.
Os átomos são compostos de uma combinação de subpartículas: prótons e nêutrons. Essas subpartículas estão ligadas por ligações de força que possuem uma grande quantidade de energia.
Quando essas ligações são quebradas, são gerados os chamados produtos de fissão, que são materiais radioativos, e a emissão de uma quantidade considerável de energia.
Tipos de usinas nucleares
Em todo o mundo, 90% das usinas de energia usam reatores de água leve. Água leve é água corrente; em engenharia nuclear é chamado assim. Existem dois tipos de reatores de água leve:
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Reator nuclear de água pressurizada (PWR).
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Reator nuclear de água fervente (BWR).
Dentre esses dois tipos de reator, o reator de água pressurizada é o mais utilizado no mundo.
Como funciona uma usina nuclear de água pressurizada?
A operação básica de uma usina nuclear com reator de água pressurizada pode ser simplificada em 4 etapas:
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Obtenção de energia térmica através da fissão nuclear do núcleo de átomos de combustível nuclear.
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Gere vapor de água usando a energia térmica obtida na etapa anterior.
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Acionar um conjunto de turbinas utilizando o vapor de água obtido.
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Aproveitando a energia mecânica das turbinas para acionar um gerador elétrico para produzir eletricidade.
Do ponto de vista físico, várias mudanças de energia são observadas:
Inicialmente temos a energia nuclear (aquela que mantém os núcleos dos átomos coesos). Posteriormente, quando se rompe, é convertido em energia térmica que é utilizada para gerar vapor.
A energia térmica torna-se energia interna da água (agora vapor). A energia interna e a energia térmica da água são transformadas em energia cinética pelo acionamento da turbina.
Finalmente, o gerador converte a energia cinética em energia elétrica.
circuitos de água
As usinas nucleares que funcionam com um reator de água pressurizada têm dois circuitos de água:
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O circuito primário que passa pelo reator.
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O circuito secundário que passa pelas turbinas a vapor.
No circuito primário a água é submetida a alta pressão. Ao passar pelo reator, a água adquire uma temperatura muito alta e a pressão a impede de gaseificar.
O circuito secundário também está fechado. A água neste circuito é aquecida, pois está em contato térmico com o circuito primário para convertê-la em vapor e acionar a turbina.
Finalmente, é resfriado por estar em contato térmico com uma fonte de água externa.
O que acontece no reator nuclear?
O reator nuclear é a parte mais sensível e importante da usina.
O reator é responsável por converter energia nuclear em energia térmica. No interior, são colocadas barras de combustível nuclear, geralmente feitas de urânio, um elemento muito instável na tabela periódica.
O simples impacto de um nêutron contra um átomo de urânio causa sua quebra, dando origem a uma reação de fissão nuclear. O resultado de cada fissão nuclear são dois pedaços de material radioativo e mais um ou dois nêutrons. Esses nêutrons podem colidir com átomos e gerar reações em cadeia.
Se essas reações não forem controladas, mais e mais reações ocorreriam por segundo. O calor gerado seria tão alto que não poderia ser contido e o reator derreteria. Para que isso não aconteça existem barras de controle. As hastes de controle têm a capacidade de atrair nêutrons.
O edifício de contenção é o edifício onde estão localizados o reator nuclear e o circuito primário. O edifício de contenção é projetado para conter possíveis explosões e evitar a possível fuga de radiação nuclear para o exterior.
como é gerada a eletricidade?
Quando o vapor acionou a turbina, ele transferiu grande parte de sua energia térmica para a turbina. A turbina a vapor é conectada a um gerador elétrico para transformar o movimento circular em energia elétrica.
O vapor que sai da turbina perdeu muita energia térmica, mas ainda é um vapor muito quente.
Ao sair da turbina, o vapor é direcionado para um tanque de condensação onde fica em contato térmico com as tubulações de água fria do lado de fora. Quando o vapor de água se torna líquido, ele retorna ao reator acionado por uma bomba de água.
Qual é a fumaça que sai das chaminés das usinas nucleares?
A fumaça branca que sai das chaminés das usinas nucleares é vapor de água.
Quando a água fria entra em contato térmico com o vapor que sai das turbinas, ela aquece rapidamente. Devido ao calor, parte dessa água externa se transforma em vapor.
Por isso, as usinas nucleares são sempre instaladas perto de uma fonte abundante de água fria (mar, rio ou lago).