Usina nuclear -Nuclear power plant

Ladeado por torres de resfriamento , um reator nuclear PWR está contido dentro de um prédio de contenção esférico

Uma usina nuclear (às vezes abreviada como NPP ) é uma usina termelétrica na qual a fonte de calor é um reator nuclear . Como é típico das usinas termelétricas, o calor é usado para gerar vapor que aciona uma turbina a vapor conectada a um gerador que produz eletricidade . Em 2022, a Agência Internacional de Energia Atômica informou que havia 439 reatores de energia nuclear em operação em 32 países ao redor do mundo.

As usinas nucleares são frequentemente usadas para carga básica, pois suas operações, manutenção e custos de combustível estão na extremidade inferior do espectro de custos. No entanto, a construção de uma usina nuclear geralmente dura de cinco a dez anos, o que pode resultar em custos financeiros significativos, dependendo de como os investimentos iniciais são financiados.

As usinas de energia nuclear têm uma pegada de carbono comparável à de energia renovável , como parques solares e parques eólicos , e muito menor do que os combustíveis fósseis , como gás natural e carvão marrom . Apesar de algumas catástrofes espetaculares, as usinas nucleares estão entre os modos mais seguros de geração de eletricidade, comparáveis ​​às usinas solares e eólicas.

História

A primeira vez que o calor de um reator nuclear foi usado para gerar eletricidade foi em 20 de dezembro de 1951 no Reator Experimental Breeder I , alimentando quatro lâmpadas.

Em 27 de junho de 1954, a primeira usina nuclear do mundo a gerar eletricidade para uma rede elétrica , a Usina Nuclear de Obninsk , iniciou suas operações em Obninsk , na União Soviética . A primeira central elétrica em escala real do mundo, Calder Hall no Reino Unido , foi inaugurada em 17 de outubro de 1956. A primeira central elétrica em escala real do mundo exclusivamente dedicada à produção de eletricidade - Calder Hall também deveria produzir plutônio Pensilvânia , Estados Unidos - foi conectado à rede em 18 de dezembro de 1957.

Componentes básicos

Sistemas

A conversão em energia elétrica ocorre de forma indireta, como nas centrais térmicas convencionais. A fissão em um reator nuclear aquece o refrigerante do reator. O refrigerante pode ser água ou gás, ou mesmo metal líquido, dependendo do tipo de reator. O refrigerante do reator então vai para um gerador de vapor e aquece a água para produzir vapor. O vapor pressurizado é então geralmente alimentado para uma turbina a vapor de vários estágios . Depois que a turbina a vapor expandiu e condensou parcialmente o vapor, o vapor restante é condensado em um condensador. O condensador é um trocador de calor conectado a um lado secundário, como um rio ou uma torre de resfriamento . A água é então bombeada de volta para o gerador de vapor e o ciclo recomeça. O ciclo água-vapor corresponde ao ciclo Rankine .

O reator nuclear é o coração da estação. Em sua parte central, o núcleo do reator produz calor devido à fissão nuclear. Com este calor, um refrigerante é aquecido à medida que é bombeado através do reator e, assim, remove a energia do reator. O calor da fissão nuclear é usado para elevar o vapor, que passa pelas turbinas , que por sua vez alimentam os geradores elétricos.

Os reatores nucleares geralmente dependem de urânio para alimentar a reação em cadeia. O urânio é um metal muito pesado que é abundante na Terra e é encontrado na água do mar, assim como na maioria das rochas. O urânio natural é encontrado em dois isótopos diferentes : urânio-238 (U-238), representando 99,3% e urânio-235 (U-235), representando cerca de 0,7%. U-238 tem 146 nêutrons e U-235 tem 143 nêutrons.

Diferentes isótopos têm comportamentos diferentes. Por exemplo, o U-235 é físsil, o que significa que é facilmente dividido e libera muita energia, tornando-o ideal para energia nuclear. Por outro lado, o U-238 não possui essa propriedade apesar de ser o mesmo elemento. Diferentes isótopos também têm diferentes meias-vidas . O U-238 tem uma meia-vida mais longa do que o U-235, por isso leva mais tempo para decair ao longo do tempo. Isso também significa que o U-238 é menos radioativo que o U-235.

Como a fissão nuclear cria radioatividade, o núcleo do reator é cercado por um escudo protetor. Essa contenção absorve a radiação e evita que o material radioativo seja liberado no meio ambiente. Além disso, muitos reatores são equipados com uma cúpula de concreto para proteger o reator contra acidentes internos e impactos externos.

O objetivo da turbina a vapor é converter o calor contido no vapor em energia mecânica. A casa de máquinas com a turbina a vapor é geralmente separada estruturalmente do edifício do reator principal. Ele está alinhado para evitar que os detritos da destruição de uma turbina em operação voem em direção ao reator.

No caso de um reator de água pressurizada, a turbina a vapor é separada do sistema nuclear. Para detectar um vazamento no gerador de vapor e, portanto, a passagem de água radioativa em um estágio inicial, um medidor de atividade é montado para rastrear o vapor de saída do gerador de vapor. Em contraste, os reatores de água fervente passam água radioativa através da turbina a vapor, de modo que a turbina é mantida como parte da área radiologicamente controlada da usina nuclear.

O gerador elétrico converte a energia mecânica fornecida pela turbina em energia elétrica. São usados ​​geradores síncronos CA de baixo pólo de alta potência nominal. Um sistema de resfriamento remove o calor do núcleo do reator e o transporta para outra área da estação, onde a energia térmica pode ser aproveitada para produzir eletricidade ou realizar outros trabalhos úteis. Normalmente, o refrigerante quente é usado como fonte de calor para uma caldeira, e o vapor pressurizado que aciona um ou mais geradores elétricos acionados por turbina a vapor .

Em caso de emergência, podem ser utilizadas válvulas de segurança para evitar que os tubos rebentem ou que o reactor exploda. As válvulas são projetadas para que possam derivar todas as vazões fornecidas com pouco aumento de pressão. No caso do BWR , o vapor é direcionado para a câmara de supressão e aí condensa. As câmaras de um trocador de calor são conectadas ao circuito de resfriamento intermediário.

O condensador principal é um grande trocador de calor de casco e tubo de fluxo cruzado que pega vapor úmido, uma mistura de água líquida e vapor em condições de saturação, da exaustão do gerador da turbina e o condensa de volta em água líquida sub-resfriada para que possa ser bombeado de volta ao reator pelas bombas de condensado e água de alimentação.

Alguns reatores nucleares utilizam torres de resfriamento para condensar o vapor que sai das turbinas. Todo vapor liberado nunca está em contato com a radioatividade

No condensador principal, a exaustão da turbina de vapor úmido entra em contato com milhares de tubos que têm água muito mais fria fluindo por eles do outro lado. A água de resfriamento normalmente vem de um corpo de água natural, como um rio ou lago. A Estação de Geração Nuclear de Palo Verde , localizada no deserto a cerca de 97 quilômetros (60 milhas) a oeste de Phoenix, Arizona, é a única instalação nuclear que não usa um corpo natural de água para resfriamento, em vez disso, usa esgoto tratado da região metropolitana de Phoenix. área. A água proveniente do corpo de água de resfriamento é bombeada de volta para a fonte de água a uma temperatura mais quente ou retorna a uma torre de resfriamento onde esfria para mais usos ou evapora em vapor de água que sobe pelo topo da torre.

O nível de água no gerador de vapor e no reator nuclear é controlado usando o sistema de água de alimentação. A bomba de água de alimentação tem a função de retirar a água do sistema de condensado, aumentando a pressão e forçando-a tanto para os geradores de vapor – no caso de um reator de água pressurizada – quanto diretamente para o reator, para os reatores de água fervente .

O fornecimento contínuo de energia para a planta é fundamental para garantir uma operação segura. A maioria das estações nucleares requer pelo menos duas fontes distintas de energia externa para redundância. Estes geralmente são fornecidos por vários transformadores suficientemente separados e podem receber energia de várias linhas de transmissão. Além disso, em algumas usinas nucleares, o gerador de turbina pode alimentar as cargas da estação enquanto a estação estiver online, sem a necessidade de energia externa. Isso é obtido por meio de transformadores de serviço de estação que extraem energia da saída do gerador antes de chegarem ao transformador elevador.

Economia

Bruce Nuclear Generating Station , a maior instalação de energia nuclear operacional do mundo

A economia das usinas nucleares é um assunto controverso, e investimentos multibilionários dependem da escolha de uma fonte de energia. Usinas de energia nuclear normalmente têm altos custos de capital, mas baixos custos diretos de combustível, com os custos de extração de combustível, processamento, uso e custos de armazenamento de combustível irradiado internalizados. Portanto, a comparação com outros métodos de geração de energia depende fortemente de premissas sobre prazos de construção e financiamento de capital para usinas nucleares. As estimativas de custo levam em consideração os custos de descomissionamento de estações e armazenamento de resíduos nucleares ou reciclagem nos Estados Unidos devido ao Price Anderson Act .

Com a perspectiva de que todo o combustível nuclear gasto poderia ser potencialmente reciclado usando reatores futuros, os reatores da geração IV estão sendo projetados para fechar completamente o ciclo do combustível nuclear . No entanto, até agora, não houve nenhuma reciclagem real de resíduos de uma usina nuclear, e o armazenamento temporário no local ainda está sendo usado em quase todos os locais das usinas devido a problemas de construção de depósitos geológicos profundos . Apenas a Finlândia tem planos de depósito estáveis, portanto, de uma perspectiva mundial, os custos de armazenamento de resíduos a longo prazo são incertos.

Usina Nuclear de Olkiluoto em Eurajoki , Finlândia. O local abriga um dos reatores mais potentes conhecido como EPR.

A construção, ou o custo de capital à parte, medidas para mitigar o aquecimento global , como um imposto sobre o carbono ou o comércio de emissões de carbono , favorecem cada vez mais a economia da energia nuclear. Espera-se que mais eficiências sejam alcançadas por meio de projetos de reatores mais avançados, os reatores da Geração III prometem ser pelo menos 17% mais eficientes em combustível e têm custos de capital mais baixos, enquanto os reatores da Geração IV prometem mais ganhos em eficiência de combustível e reduções significativas no lixo nuclear.

Unidade 1 da Usina Nuclear de Cernavodă na Romênia

Na Europa Oriental, vários projetos de longa data estão lutando para encontrar financiamento, principalmente Belene na Bulgária e os reatores adicionais em Cernavodă na Romênia , e alguns potenciais financiadores desistiram. Onde o gás barato está disponível e seu abastecimento futuro relativamente seguro, isso também representa um grande problema para os projetos nucleares.

A análise da economia da energia nuclear deve levar em conta quem arca com os riscos de incertezas futuras. Até o momento, todas as usinas nucleares em operação foram desenvolvidas por concessionárias estatais ou regulamentadas , onde muitos dos riscos associados aos custos de construção, desempenho operacional, preço do combustível e outros fatores foram assumidos pelos consumidores e não pelos fornecedores. Muitos países já liberalizaram o mercado de eletricidade onde esses riscos e o risco de concorrentes mais baratos surgirem antes que os custos de capital sejam recuperados são suportados pelos fornecedores e operadores das estações e não pelos consumidores, o que leva a uma avaliação significativamente diferente da economia das novas usinas nucleares .

Após o acidente nuclear de Fukushima em 2011 no Japão , é provável que os custos subam para as atuais e novas usinas nucleares, devido ao aumento dos requisitos para gerenciamento de combustível gasto no local e ameaças elevadas de base de projeto. No entanto, muitos projetos, como o AP1000 atualmente em construção, usam sistemas de resfriamento de segurança nuclear passivos , ao contrário dos de Fukushima I, que exigiam sistemas de resfriamento ativos, o que elimina em grande parte a necessidade de gastar mais em equipamentos de segurança redundantes de backup.

Em março de 2020

  • A energia nuclear é competitiva em termos de custo com outras formas de geração de eletricidade, exceto onde há acesso direto a combustíveis fósseis de baixo custo.
  • Os custos de combustível para usinas nucleares são uma proporção menor dos custos totais de geração, embora os custos de capital sejam maiores do que os das usinas a carvão e muito maiores do que os das usinas a gás.
  • Os custos do sistema para energia nuclear (assim como geração a carvão e gás) são muito mais baixos do que para energias renováveis ​​intermitentes.
  • Fornecer incentivos para investimentos de longo prazo e alto capital em mercados desregulamentados impulsionados por sinais de preços de curto prazo representa um desafio para garantir um sistema de fornecimento de eletricidade diversificado e confiável.
  • Ao avaliar a economia da energia nuclear, os custos de desmantelamento e eliminação de resíduos são totalmente levados em consideração.
  • A construção de usinas nucleares é típica de grandes projetos de infraestrutura em todo o mundo, cujos custos e desafios de entrega tendem a ser subestimados.

Segurança e acidentes

Número hipotético de mortes globais que resultariam da produção de energia se a produção mundial de energia fosse atendida por uma única fonte, em 2014.

Os projetos modernos de reatores nucleares tiveram inúmeras melhorias de segurança desde os reatores nucleares de primeira geração. Uma usina nuclear não pode explodir como uma arma nuclear porque o combustível para reatores de urânio não é enriquecido o suficiente, e as armas nucleares exigem explosivos de precisão para forçar o combustível em um volume pequeno o suficiente para se tornar supercrítico. A maioria dos reatores requer controle contínuo de temperatura para evitar uma fusão do núcleo , que ocorreu em algumas ocasiões por acidente ou desastre natural, liberando radiação e tornando a área circundante inabitável. As plantas devem ser defendidas contra roubo de material nuclear e ataque de aviões ou mísseis militares inimigos.

Os acidentes mais graves até hoje foram o acidente de Three Mile Island em 1979, o desastre de Chernobyl em 1986 e o ​​desastre nuclear de Fukushima Daiichi em 2011 , correspondente ao início da operação dos reatores da geração II .

O professor de sociologia Charles Perrow afirma que falhas múltiplas e inesperadas são construídas nos sistemas de reatores nucleares complexos e fortemente acoplados da sociedade. Tais acidentes são inevitáveis ​​e não podem ser planejados ao redor. Uma equipe interdisciplinar do MIT estimou que, dado o crescimento esperado da energia nuclear de 2005 a 2055, seriam esperados pelo menos quatro acidentes nucleares graves nesse período. O estudo do MIT não leva em consideração as melhorias na segurança desde 1970.

Controvérsia

A cidade ucraniana de Pripyat foi abandonada devido a um acidente nuclear, ocorrido na Usina Nuclear de Chernobyl em 26 de abril de 1986, visto ao fundo.

O debate sobre a energia nuclear sobre a implantação e uso de reatores de fissão nuclear para gerar eletricidade a partir de combustível nuclear para fins civis atingiu o pico durante as décadas de 1970 e 1980, quando "atingiu uma intensidade sem precedentes na história das controvérsias tecnológicas", em alguns países.

Os proponentes argumentam que a energia nuclear é uma fonte de energia sustentável que reduz as emissões de carbono e pode aumentar a segurança energética se seu uso suplantar a dependência de combustíveis importados. Os proponentes avançam a noção de que a energia nuclear não produz praticamente nenhuma poluição do ar, em contraste com a principal alternativa viável de combustível fóssil. Os proponentes também acreditam que a energia nuclear é o único caminho viável para alcançar a independência energética para a maioria dos países ocidentais. Eles enfatizam que os riscos de armazenamento de resíduos são pequenos e podem ser ainda mais reduzidos com o uso de tecnologia de ponta em reatores mais novos, e o histórico de segurança operacional no mundo ocidental é excelente quando comparado aos outros grandes tipos de usinas.

Os opositores dizem que a energia nuclear representa muitas ameaças às pessoas e ao meio ambiente, e que os custos não justificam os benefícios. As ameaças incluem riscos à saúde e danos ambientais causados ​​pela mineração , processamento e transporte de urânio, o risco de proliferação ou sabotagem de armas nucleares e o problema não resolvido dos resíduos nucleares radioativos . Outra questão ambiental é a descarga de água quente no mar. A água quente modifica as condições ambientais da flora e fauna marinha. Eles também afirmam que os próprios reatores são máquinas extremamente complexas, onde muitas coisas podem dar errado, e houve muitos acidentes nucleares graves . Os críticos não acreditam que esses riscos possam ser reduzidos por meio de novas tecnologias , apesar dos rápidos avanços nos procedimentos de contenção e métodos de armazenamento.

Os opositores argumentam que, quando todos os estágios intensivos em energia da cadeia de combustível nuclear são considerados, da mineração de urânio ao desmantelamento nuclear, a energia nuclear não é uma fonte de eletricidade de baixo carbono , apesar da possibilidade de refinamento e armazenamento de longo prazo ser alimentado por uma instalação nuclear . Os países que não contêm minas de urânio não podem alcançar a independência energética por meio das tecnologias de energia nuclear existentes. Os custos reais de construção geralmente excedem as estimativas e os custos de gerenciamento de combustível usado são difíceis de definir.

Em 1º de agosto de 2020, os Emirados Árabes Unidos lançaram a primeira usina de energia nuclear da região árabe. A unidade 1 da planta de Barakah na região de Al Dhafrah de Abu Dhabi começou a gerar calor no primeiro dia de seu lançamento, enquanto as 3 unidades restantes estão sendo construídas. No entanto, o chefe do Grupo de Consultoria Nuclear, Paul Dorfman, alertou o investimento da nação do Golfo na usina como um risco "desestabilizar ainda mais a região volátil do Golfo, danificando o meio ambiente e aumentando a possibilidade de proliferação nuclear".

Reprocessamento

A tecnologia de reprocessamento nuclear foi desenvolvida para separar e recuperar quimicamente o plutônio físsil do combustível nuclear irradiado. O reprocessamento serve a múltiplos propósitos, cuja importância relativa mudou ao longo do tempo. Originalmente, o reprocessamento era usado apenas para extrair plutônio para a produção de armas nucleares . Com a comercialização da energia nuclear , o plutônio reprocessado foi reciclado novamente em combustível nuclear MOX para reatores térmicos . O urânio reprocessado , que constitui a maior parte do combustível irradiado, pode, em princípio, também ser reutilizado como combustível, mas isso só é económico quando os preços do urânio são elevados ou a eliminação é cara. Finalmente, o reator reprodutor pode empregar não apenas plutônio e urânio reciclados no combustível irradiado, mas todos os actinídeos , fechando o ciclo do combustível nuclear e potencialmente multiplicando em mais de 60 vezes a energia extraída do urânio natural .

O reprocessamento nuclear reduz o volume de resíduos de alto nível, mas por si só não reduz a radioatividade ou a geração de calor e, portanto, não elimina a necessidade de um depósito de resíduos geológicos. O reprocessamento tem sido politicamente controverso devido ao potencial de contribuir para a proliferação nuclear , a potencial vulnerabilidade ao terrorismo nuclear , os desafios políticos da localização do depósito (um problema que se aplica igualmente à eliminação direta do combustível irradiado) e devido ao seu alto custo em comparação com o ciclo de combustível de passagem única. Nos Estados Unidos, o governo Obama recuou dos planos do presidente Bush de reprocessamento em escala comercial e voltou a um programa focado em pesquisas científicas relacionadas ao reprocessamento.

Indenização por acidente

A energia nuclear funciona sob uma estrutura de seguro que limita ou estrutura as responsabilidades por acidentes de acordo com a Convenção de Paris sobre Responsabilidade Civil por Danos Nucleares , a Convenção Complementar de Bruxelas e a Convenção de Viena sobre Responsabilidade Civil por Danos Nucleares . No entanto, os estados com a maioria das usinas nucleares do mundo, incluindo os EUA, Rússia, China e Japão, não fazem parte das convenções internacionais de responsabilidade nuclear.

Estados Unidos
Nos Estados Unidos, o seguro para incidentes nucleares ou radiológicos é coberto (para instalações licenciadas até 2025) pelo Price-Anderson Nuclear Industries Indemnity Act .
Reino Unido
De acordo com a política energética do Reino Unido por meio de sua Lei de Instalações Nucleares de 1965, a responsabilidade é regida por danos nucleares pelos quais um licenciado nuclear do Reino Unido é responsável. A lei exige o pagamento de indenização por danos até um limite de £ 150 milhões pelo operador responsável por dez anos após o incidente. Entre dez e trinta anos depois, o Governo cumpre esta obrigação. O Governo também é responsável pela responsabilidade transfronteiriça limitada adicional (cerca de £ 300 milhões) sob convenções internacionais ( Convenção de Paris sobre Responsabilidade de Terceiros no Campo da Energia Nuclear e Convenção de Bruxelas complementar à Convenção de Paris).

Desativação

O desmantelamento nuclear é o desmantelamento de uma usina nuclear e a descontaminação do local para um estado que não exija mais proteção contra radiação para o público em geral. A principal diferença em relação ao desmantelamento de outras centrais elétricas é a presença de material radioativo que requer cuidados especiais para remoção e recolocação segura em um depósito de resíduos.

O descomissionamento envolve muitas ações administrativas e técnicas. Inclui toda a limpeza de radioatividade e demolição progressiva da estação. Uma vez que uma instalação é desativada, não deve mais haver perigo de um acidente radioativo ou para qualquer pessoa que a visite. Depois que uma instalação foi completamente desativada, ela é liberada do controle regulatório e o licenciado da estação não tem mais responsabilidade por sua segurança nuclear.

Tempo e adiamento do descomissionamento

De um modo geral, as estações nucleares foram originalmente projetadas para uma vida de cerca de 30 anos. As estações mais novas são projetadas para uma vida operacional de 40 a 60 anos. O Centurion Reactor é uma futura classe de reator nuclear que está sendo projetada para durar 100 anos.

Um dos principais fatores limitantes de desgaste é a deterioração do vaso de pressão do reator sob a ação do bombardeio de nêutrons, no entanto, em 2018, a Rosatom anunciou que havia desenvolvido uma técnica de recozimento térmico para vasos de pressão do reator que melhora os danos causados ​​pela radiação e prolonga a vida útil entre 15 e 30 anos.

Flexibilidade

As estações nucleares são usadas principalmente para carga básica devido a considerações econômicas. O custo de combustível das operações de uma estação nuclear é menor do que o custo do combustível para operação de usinas de carvão ou gás. Como a maior parte do custo da usina nuclear é o custo de capital, quase não há economia de custos ao executá-la com menos da capacidade total.

As usinas nucleares são usadas rotineiramente no modo de acompanhamento de carga em larga escala na França, embora "seja geralmente aceito que essa não é uma situação econômica ideal para as usinas nucleares". A unidade A da usina nuclear alemã Biblis , desativada, foi projetada para modular sua produção em 15% por minuto entre 40% a 100% de sua potência nominal.

Veja também

Notas de rodapé

links externos