A engenharia mecânica desempenha um papel crítico na indústria de energia nuclear, onde a precisão, a segurança e a eficiência são de suma importância.
Numa central nuclear, a energia é gerada pela fissão nuclear, um processo no qual os núcleos atómicos se dividem em núcleos mais pequenos, libertando uma quantidade significativa de energia.
Para controlar esta reação e garantir sua segurança, são utilizados diversos mecanismos que unem a mecânica clássica à física nuclear:
1. Reator nuclear: introdução de hastes de controle
O reator nuclear é o coração de uma usina nuclear. No seu interior estão as barras de combustível, geralmente urânio enriquecido, que quando bombardeadas com nêutrons iniciam a fissão nuclear.
Para controlar a taxa de reação e evitar o superaquecimento, são utilizadas hastes de controle feitas de materiais como boro ou cádmio, que absorvem nêutrons e ajustam a atividade nuclear.
Automação
Em muitos reatores, o processo de introdução de hastes de controle pode ser controlado automaticamente por sistemas de controle computadorizados que monitoram constantemente a atividade nuclear e a temperatura do reator.
Elementos mecânicos
Os sistemas mecânicos que fazem o movimento das hastes de controle geralmente incluem:
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Atuadores e sistemas hidráulicos: Esses atuadores podem fornecer controle fino e preciso.
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Motores elétricos: Esses motores podem ser controlados eletronicamente para obter movimentos suaves e precisos.
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Sistemas de engrenagens – Os sistemas de engrenagens podem ser usados para transmitir energia do motor ou atuador hidráulico para as hastes de controle.
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Guias e estruturas de suporte: Esses componentes garantem que as barras se movam na direção desejada sem desvios indesejados.
2. Sistema de refrigeração
O calor gerado no reator nuclear deve ser controlado para evitar danos aos componentes e garantir uma operação segura. Para isso, é utilizado um sistema de resfriamento que faz circular um fluido, geralmente água, pelo reator para absorver o calor.
Por esta razão, os princípios e leis da mecânica dos fluidos desempenham um papel fundamental no projeto de bombas, válvulas e tubulações deste sistema.
A engenharia mecânica garante que esses componentes sejam resistentes à radiação e às altas temperaturas.
Abaixo segue uma descrição dos principais elementos mecânicos do sistema de refrigeração:
Bombas de circulação
As bombas de circulação conduzem o refrigerante através do circuito de refrigeração. Estas bombas são projetadas para lidar com grandes volumes de refrigerante e fornecer o fluxo necessário para resfriar o reator e outros componentes.
Mecanicamente devem ser robustos e fiáveis, uma vez que a falha de uma bomba pode ter consequências graves.
Trocadores de calor
Os trocadores de calor são projetados para transferir calor entre o refrigerante que circula no reator e outro meio, geralmente água ou vapor, que é usado para gerar energia.
Esses trocadores podem ser de vários tipos, como tubos e aletas ou placas.
Tubos e válvulas
O sistema de refrigeração utiliza uma rede de tubos, válvulas e pressostatos para transportar e regular o fluxo de refrigerante.
Os tubos devem ser resistentes à radiação e às altas temperaturas, e as válvulas devem ser capazes de controlar o fluxo com precisão.
Capacitores (em sistemas de circuito aberto)
Em usinas nucleares de circuito aberto, condensadores são usados para converter vapor de água em líquido, liberando assim calor.
Condensadores são componentes mecânicos que envolvem a passagem de vapor através de uma série de tubos e superfícies de troca de calor.
Ventiladores e sistemas de refrigeração auxiliares
Para manter a temperatura adequada no sistema de refrigeração e no entorno, são utilizados ventiladores e sistemas auxiliares de refrigeração.
Esses componentes mecânicos ajudam a controlar a temperatura e a manter níveis adequados de pressão no sistema.
Sistemas de filtragem
Os sistemas de refrigeração também podem incluir sistemas de filtragem mecânica para remover impurezas e partículas do refrigerante, evitando o entupimento dos tubos e o desgaste prematuro dos componentes.
3. Gerador de vapor e turbinas
O calor removido do reator pelo sistema de resfriamento é utilizado para aquecer água e produzir vapor de alta pressão. Este vapor é direcionado para uma turbina mecânica.
As turbinas a vapor convertem a energia cinética do vapor em energia mecânica, que é então convertida em eletricidade por um gerador elétrico.
4. Sistema de segurança
A segurança nas centrais nucleares é uma prioridade. Mecanismos de segurança, como válvulas de alívio de pressão, sistemas de supressão de incêndio e sistemas de backup, são instalados para garantir que, em caso de emergência, a planta possa ser desligada e resfriada com segurança.
