Reator nuclear
História do Brasil e do Mundo

Reator nuclear


Em Central nuclear ,. O reator nuclear ESTÁ Dentro do Edificio de contenção em forma de cúpula.

Central nuclear de Leibstadt, Suíça. O reator nuclear está dentro do edifício de contenção em forma de cúpula.

Um reactor nuclear é um dispositivo em que as reacções nucleares em cadeia são iniciados, controlada e mantida a uma taxa constante (em oposição a uma explosão nuclear, em que a reacção em cadeia ocorre de uma fracção de segundo). Reactores nucleares são usados ??para muitos fins, mas as actuais utilizações mais importantes são para a geração de energia eléctrica e para a produção de plutónio para utilização em armas nucleares. Atualmente, todos os reatores nucleares comerciais são baseados em fissão nuclear. Para experiências com reatores baseados em fusão nuclear, ver a energia de fusão.

Há outros dispositivos em que as reações nucleares ocorrem de uma forma controlada, incluindo geradores termoelétricos de radioisótopos, que geram calor e electricidade por decaimento radioativo passiva, e fusors Farnsworth-Hirsch, em que controlavam a fusão nuclear é usado para produzir radiação de nêutrons.

Aplicações

História

Enrico Fermi e Leo Szilard foram os primeiros a construir uma pilha nuclear e demonstrar uma reação em cadeia controlada. Em 1955 eles compartilhavam um conjunto de patentes para o reator nuclear, emitida pelo Escritório de Patentes dos EUA.

Os primeiros reatores nucleares foram usadas para gerar plutônio para armas nucleares. Reatores adicionais foram utilizados na marinha (ver United States Naval reactor) para impulsionar submarinos e porta-aviões. Em meados dos anos 1950, tanto a União Soviética e os países ocidentais estavam expandindo sua investigação nuclear para incluir usos não militares do átomo. No entanto, como com o programa militar, muito do trabalho não militar foi feito em segredo. Em 20 de Dezembro de, 1951, energia elétrica a partir de um gerador movido a energia nuclear foi produzido pela primeira vez em Experimental Breeder Reactor-I (EBR-1) localizada perto Arco, Idaho. Em 27 de de Junho de, 1954, primeira usina nuclear do mundo gerado eletricidade, mas não há Notícias - pelo menos, não no Ocidente. De acordo com o Instituto de Urânio (Londres, Inglaterra), o primeiro reator para gerar eletricidade para uso comercial estava em Obninsk, Kaluga Oblast, Rússia. O Reactor Shippingport (na Pensilvânia) foi o primeiro gerador nuclear comercial para se tornar operacional nos Estados Unidos. O reator Shippingport foi encomendado em 1953 e começou a operação comercial em 1957.

Mesmo antes do 1979 Three Mile Island acidente, as novas encomendas de usinas nucleares em os EUA tinham cessado por motivos económicos relacionados principalmente a muito prolongado tempo de construção. A partir de 2004, não há novas usinas nucleares foram encomendadas nos EUA desde 1978 [1] ( http://www.pbs.org/wgbh/pages/frontline/shows/reaction/maps/chart2.html), embora seja possível que a primeira usina de energia nuclear nos Estados Unidos desde 1978 pode ser instalado na cidade remota de Galena, Alaska [a própria Câmara Municipal aprovou a idéia, e Toshiba propôs instalar seu modelo 4S "bateria nuclear" em Galena gratuitamente como um teste].

A influência negativa do 1986 Chernobyl acidente aumentou regulamentos que aumentou os custos de funcionamento de um reactor.

Em 1997, um total de 78 reatores eram ou em construção, planejado, ou indefinidamente adiado. Estas unidades têm uma potência combinada de 67,484 MW, aproximadamente 25% do total de energia já existentes. No entanto, apenas 45 reatores estavam em construção em todo o mundo. As restantes 33 unidades ou estão sendo planejados ou indefinidamente adiado. Três unidades dos EUA não são projetados para vir on-line. Alguns especialistas previram que Watts Bar 1, que veio on-line em 1997, será o último reator nuclear comercial dos EUA para ir on-line. Outros especialistas, no entanto, prever que a escassez de eletricidade vai renovar a demanda por usinas nucleares.

A partir de 2004, o futuro imediato da indústria em muitos países ainda parecia incerto, as exceções mais notáveis ??sendo o Japão, a China ea Índia, todos tanto a tecnologia rápida e térmica desenvolvendo ativamente, Coreia do Sul, desenvolvendo única tecnologia térmica, e África do Sul, o desenvolvimento de o Reactor Pebble Bed Modular (PBMR). Finlândia e França prosseguir activamente programas nucleares e ambos têm novos reatores planejados para o futuro próximo. Em os EUA, três consórcios responderam em 2004 para os EUA Departamento de Energia 's solicitação sob o Programa de Energia Nuclear 2010 e foram premiados com fundos de contrapartida. A partir do início do século 21, a energia nuclear é de particular interesse para a China e Índia para servir suas economias em rápido crescimento. Veja também o desenvolvimento de energia no futuro.

A primeira organização a desenvolver a energia nuclear utilitarista, a Marinha dos Estados Unidos, é a única organização mundial com um registro totalmente limpo. Este é, talvez, por causa das rigorosas exigências de almirante Hyman Rickover, que foi a força motriz por trás de propulsão marítima nuclear. A Marinha dos EUA tem operado reatores nucleares mais do que qualquer outra entidade, com excepção da marinha soviética, sem grandes incidentes publicamente conhecidos. Dois submarinos nucleares dos EUA, o USS Scorpion e Thresher, foram perdidos no mar, embora por razões não relacionadas a seus reatores, e seus destroços estão situados de tal modo que o risco de poluição nuclear é considerado baixo.

Em 1995, um 17-year-old Boy Scout chamado David Hahn tentou construir um pequeno reator nuclear em um envasamento galpão em seu quintal. Este reactor era demasiado pequeno para ser crítico, mas que inclui uma fonte de nêutrons e moderador. Ele coletou quantidades suficientes de materiais radioactivos que os EUA EPA tiveram que ser chamados para viu-se e dispor de toda a vertente do potting em um despejo de resíduos radioactivos. Os pais de David já tinha secretamente eliminados alguns dos materiais mais perigosos por jogá-la no lixo. O reator foi construído com rádio (de tinta velha) e amerício (a partir de detectores de fumo) como fontes de partículas alfa, que atingiram alumínio e berílio para produzir nêutrons rápidos. Os nêutrons resultantes foram usados ??para irradiar tório (de camisas de) e urânio (obtido como amostras de uma empresa Checa). As informações necessárias para obter os elementos e projetar o reator foram obtidas pelo simples expediente de escrever cartas para várias organizações, que afirmam estar trabalhando em um emblema de mérito ou como ensinar uma aula de física "Professor Hahn" de alta escola. O evento recebeu pouca publicidade na época, mas foi investigado e escrito por três anos mais tarde, em The Radioactive Boy Scout, um Weekly Harper artigo de Ken Silverstein (que também escreveu um livro com o mesmo título; veja abaixo).

Método de funcionamento

Todos os reatores nucleares comerciais produzir calor através da fissão nuclear. Neste processo, o núcleo de um elemento, tais como o urânio se divide em dois átomos menores. Isto ocorre naturalmente em elementos radioactivos, mas pode ser induzido artificialmente, fazendo alguns átomos de absorver um neutrão. Isso faz com que o núcleo torne-se instável e torna-se separaram muito rapidamente.

O processo de fissão para um átomo de urânio produz dois átomos menores, de um a três nêutrons livres em movimento rápido, e energia. Portanto urânio fissão libera mais nêutrons do que ele requer, ea reação pode se tornar auto-sustentável se as condições forem adequadas. Isto é chamado uma reacção em cadeia.

Quando um de neutrões é capturada por um núcleo físsil, pode causar fissão imediatamente, ou pode levar a uma espécie instável, que sofre fissão um curto espaço de tempo mais tarde. Uma massa de material físsil é dito ser uma massa crítica se cada evento de cisão conduz a um ou mais eventos de fissão em média. A massa é dito ser prompt de crítica se os eventos de fissão imediatas são suficientes para manter uma reação em cadeia. Uma massa crítica linha vai lançar rapidamente uma quantidade aumentando exponencialmente de calor e não pode ser controlado. Reactores nucleares são (com excepção de certos especulativos reactores subcríticos) concebido para conter massas críticos que não são pronto crítico, de modo que os sistemas de controlo podem reagir rapidamente o suficiente para manter uma taxa constante de produção de calor.

Os nêutrons liberados por fissão estão se movendo rapidamente. Tais "neutrões rápidos" não são facilmente absorvidos pelo núcleo cindíveis. Alguns reatores são projetados para trabalhar com esses nêutrons, mas a maioria dos reatores usar um moderador nuclear para abrandar esses nêutrons para baixo, de modo que eles são mais facilmente absorvidos. Tais neutrões são muitas vezes retardado até que eles estão em equilíbrio térmico com o núcleo do reactor; como resultado, eles são chamados de nêutrons térmicos (ou nêutrons lentos).

A quantidade de calor produzido por um reactor é um parâmetro crucial. Ele pode ser controlada ajustando a quantidade de moderador de neutrões no núcleo do reactor, barras de controlo consistindo de absorventes de neutrões pode ser usado para controlar a saída, ou a disposição física do combustível pode ser alterado. O alargamento Doppler efeito serve também para reduzir a taxa de fissão quando a temperatura aumenta. Muitos reatores usar vários métodos, tanto para controle e para desligamento de emergência.

Projeto do reator

Veja também usina nuclear

Um reator nuclear é projetado para realizar reações de fissão nuclear em grande escala. Isso produz calor, produtos de fissão, e intensa radiação de nêutrons. Em uma usina de energia nuclear, que o calor é usado para fazer um trabalho útil. Alguns reatores, seja experimental ou militar, são projetados com nenhuma preocupação para fazer uso do calor gerado, como seu objetivo é fazer uso da radiação de neutrões para transmutar elementos. Em ambos os casos, para todos os reactores actuais, é essencial que uma reacção em cadeia nuclear ser mantida continuamente.

Em uma reação nuclear em cadeia sustentada, a fissão de um único núcleo de combustível libera alguns nêutrons. Estes nêutrons inicialmente transportar uma grande quantidade de energia (e, portanto, são chamados de nêutrons rápidos). Estes neutrões pode ser capturado imediatamente por outro núcleo de combustível, ou podem interagir com um moderador de neutrões ou um absorvente de neutrões. A probabilidade de um neutrão de movimento rápido é capturado por um núcleo de combustível é relativamente baixo, de modo que é frequentemente necessário para abrandar os neutrões. Isso é feito permitindo que os nêutrons para espalhar fora de núcleos de um moderador de nêutrons. Depois de alguns desses eventos de dispersão, a radiação de neutrões tem um espectro de energia térmica (isto é, eles estão movendo-se com a mesma energia média como um gás à mesma temperatura como o núcleo do reactor) e é muito mais facilmente capturado por um núcleo de combustível.

Caminhos de Alguns nêutrons em hum reator térmico

Caminhos de alguns nêutrons em um reator térmico

Um reactor nuclear, que utiliza um moderador é chamado um reactor lenta ou térmica, e normalmente é categorizada de acordo com o tipo de moderador. Moderadores comuns são água pesada e ordinário água leve. Alguns reactores também usar grafite, apesar de ter um certo número de problemas (ver, por exemplo, o fogo Windscale e o acidente Chernobil). Um reactor que não é moderado é chamado um reactor rápido. O fluxo de nêutrons mais elevado permite que algumas reacções nucleares para ocorrer que são difíceis de organizar em um reator lento. Em particular, é possível transmutar tório e outros isótopos em isótopos de combustíveis utilizáveis. Tal reator pode potencialmente produzir mais combustível do que consome; por esta razão reatores rápidos são por vezes chamados de "reatores".

Quando um nêutron é capturado por um núcleo de combustível, o núcleo pode sofrer fissão imediatamente, ele pode permanecer em um estado instável por um curto tempo antes de sofrer fissão, ou pode deixar de sofrer fissão em tudo. Cisão eventos que ocorrem imediatamente são chamados eventos de fissão "imediatas", e se existem eventos rápidas o suficiente para que a reacção de auto-sustentável, sem os acontecimentos de fissão retardados, em seguida, o reactor é dito para ser pronta crítica. Em tal situação, a quantidade de fissão no reactor vai crescer exponencialmente e muito rapidamente; o resultado seria uma grande explosão (embora não seja um comparável a uma arma nuclear). Assim, um reactor nuclear estável deve ser mantida em estado crítico prompt de crítica, mas não. Controles são também essenciais para garantir que a temperatura não suba tão alta que o reactor é danificado ou destruído.

Um reactor nuclear é controlada ajustando a configuração de absorventes de neutrões e em torno do núcleo, a configuração do moderador de neutrões (se algum), e, por vezes, a configuração do próprio combustível. A disposição mais comum é a de incluir as hastes de controlo de absorção de neutrões, que podem ser parcialmente inseridos no reactor, a fim de amortecer a sua reacção. Tais hastes de controle normalmente requerem equipamentos de monitoramento sofisticado, portanto, uma série de desenhos de reactores avançados (como o reactor seixo-cama) têm tentado construir em sistemas de segurança passiva que não requerem nenhuma ação por agentes electrónicos, mecânicos, ou humanos para evitar o superaquecimento da planta.

Em qualquer reactor nuclear, algum tipo de refrigeração é necessário. Em uma usina de energia nuclear, o sistema de arrefecimento deve ser concebido de modo que possa fazer uso do calor libertado. A maioria dos reactores nucleares usar água como um fluido de arrefecimento, quer numa forma de líquido pressurizado ou por fervura em vapor. Desde água atua como um moderador, reatores rápidos não podem ser arrefecidos com água. Molten sódio sais de sódio ou estão em uso atual. Reactores concebidos apenas para a transmutação pode simplesmente liberar o calor para o ambiente.

Segurança

Como parte do projeto de quaisquer disposições do reator nuclear deve ser feita para os erros do operador ou falhas de equipamento crítico. Por esta razão, é empregado o conceito de "defesa em profundidade" para assegurar a operacionalidade de todos os sistemas, quando necessário para a segurança. Todos os sistemas em usinas nucleares tem três objectivos principais de segurança:

Quando os sistemas, estruturas e componentes (SSC) são necessários para executar quaisquer tarefas que suportam as três funções de segurança, eles são fornecidos com a inspeção freqüente, testes operacionais ou funcionais e aumento design, aquisição e reparação escrutínio como parte de uma garantia de qualidade (QA) plano. Parte do projeto destes SSC inclui redundância (ter vários componentes de backup), o fornecimento de sistemas independentes (como um requisito para ter dois ou mais sistemas separados executando a mesma função em paralelo) "votar" em uma interpretação de um sinal, falha projeto -safe (saber como um SSC irá falhar e qual o efeito que isso terá sobre companheira SSC) instrumentação de monitoramento e proteção contra "Falha do modo comum". Falha do modo comum impede que uma única falha afete ambos os "trens" ou sistemas de equipamento independentes, redundante. Engenharia desempenho é testado em uma base freqüente (vigilância) para fornecer segurança (QA) de prontidão para executar sua função projetado. Deve notar-se que muitas dessas mesmas características de design estão mandatados em aviões comerciais.

Em caso de detecção de processo (pressão, temperatura, radiação, fluxo, etc) indicações fora de uma faixa normal soará um alarme e ser "reconhecido" na sala de controle, onde um operador faz ajustes. Se os parâmetros alarmantes exceder pontos de regulação mais, o reactor, turbina ou gerador pode fornecer um sinal de falha, que coloca automaticamente o sistema de um modo mais seguro em (baixa energia) e podem terminar as operações, sem o controlo do operador. No caso de um gerador de turbina ou falha, o vapor será limitada ou desligado e a turbina será lenta. Se o problema não for corrigido rapidamente, uma SCRAM (desde as origens da energia atômica) ou Mecanismo de Controle de Segurança Rod Atuação ocorrerá inserindo as hastes de controle (moderadores) no núcleo do reator e abrandar significativamente o fluxo de nêutrons. A unidade deve então ser reiniciado depois de uma investigação seja concluída.

Cada unidade funciona com um conjunto de condições da licença (Relatório de Avaliação de Segurança Final, ou FSAR) específicas para as «unidades de design, localização e ambiente. As condições da licença, condensadas em um conjunto de especificações técnicas, descreve os limites do poder, certos parâmetros do processo, pessoal, formação e qualificações, equipamento mínimo disponível e outros requisitos físicos e administrativos que devem estar no local, a fim de operar o reator. A violação das condições da licença pode resultar em multas e incapacidade para operar as instalações.

Tipos de reactores

's Pulstar Reactor e Um 1 MW fazer tipo piscina reator de Pesquisa com 4% de Combustíveis Enriquecido, tipo pino consistindo de pastilhas de UO2 em zircaloy Revestimento.

NC State 's Pulstar Reactor é um 1 MW do tipo piscina do reator de pesquisa com 4% enriquecido, combustível tipo pino que consiste em UO 2 pelotas em zircaloy revestimento.

A sala de 'Controle E Pulstar Reactor Nuclear.

A sala de controle de NC State Pulstar Nuclear Reactor 's.

Um certo número de tecnologias de reactores têm sido desenvolvidos. Reactores de cisão pode ser dividido grosso modo em duas classes, dependendo da energia dos neutrões que são usados ??para manter a reacção de cisão em cadeia.

Reatores de energia térmica pode ser novamente dividido em três tipos, dependendo se eles usam canais pressurizados de combustível, um grande vaso de pressão, ou de arrefecimento dos gases.

Visto que a água serve como um moderador, ele não pode ser usado como um fluido de arrefecimento no reactor de um rápido. A maioria dos projetos para reactores de energia rápidos foram arrefecidos por metal líquido, geralmente fundida de sódio. Eles também têm sido de dois tipos, chamado piscina e reactores de circuito fechado.

Famílias atuais de reatores
Tipos obsoletas ainda em serviço
Reatores avançados

Mais de uma dúzia de modelos avançada dos reactores estão em vários estágios de desenvolvimento. Alguns são evolutiva do PWR, BWR e CANDU projeta acima, alguns são partidas mais radicais. As primeiras incluem o Boiling Water Reactor Avançado, dois dos quais estão agora operando com outros estão em construção. O novo design radical mais conhecido é o reator modular Pebble Bed (PBMR), um gás de alta temperatura resfriado reactor. Outros projetos possíveis existem na prancheta, nomeadamente o amplificador de energia, à espera de apoio político e financiamento. Alguns, como o Reactor Rápido Integral, foram cancelados devido a um clima político desfavorável à energia nuclear.

Ciclo do combustível nuclear

Ver artigo principal: ciclo do combustível nuclear

Reactores térmicos geralmente dependem refinado e urânio enriquecido. Alguns reatores nucleares pode operar com uma mistura de plutônio e urânio (ver MOX). O processo pelo qual minério de urânio é extraído, transformado, enriquecido, usado, possivelmente reprocessado e eliminados é conhecido como o ciclo do combustível nuclear.

O urânio é amostrado e extraído como outros metais são, via de mineração a céu aberto ou mineração por lixiviação. Minério de urânio bruto encontrado nos Estados Unidos varia de 0,05% a 0,3% de óxido de urânio. Minério de urânio não é raro; os maiores recursos prováveis, extraíveis a um custo de US $ 80 por quilo ou mais barato, estão localizados na Austrália, Cazaquistão, Canadá, África do Sul, Brasil, Namíbia, Rússia, e do Estados Unidos.

O minério bruto é depois moída, onde é moído e quimicamente lixiviado. O pó resultante de óxido de urânio natural é chamado de "yellow cake". O pó yellowcake é então convertido em hexafluoreto de urânio de preparar para o enriquecimento.

Uma vez que menos de 1% do urânio encontrado na natureza é o facilmente cindível L-235 isótopo, o urânio deve ser enriquecida até cerca de 4% L-235, geralmente por meio de difusão gasosa ou por centrifugação a gás. O resultado enriquecido é então convertido em dióxido de urânio em pó, que é prensado e queimados sobre a forma de grânulos. Estas pelotas são empilhadas em tubos que são então seladas e chamadas barras de combustível. Muitas destas barras de combustível são utilizados em cada reactor nuclear.

Abastecimento de reatores nucleares

A quantidade de energia no reservatório de combustível nuclear é frequentemente expressa em termos de "dias de full-power", que é o número de períodos de 24 horas (dias) um reactor está programado para funcionamento a potência total para a geração de calor energia. O número de dias de energia total no ciclo operacional de um reator (entre os tempos de reabastecimento de interrupção) está relacionada com a quantidade de físsil do urânio-235 (U-235) contida nos conjuntos de combustível no início do ciclo. Uma percentagem mais elevada de U-235 no núcleo, no início de um ciclo vai permitir o reactor para ser executado por um maior número de dias de energia total.

No final do ciclo de funcionamento, o combustível em alguns dos conjuntos é "gasto", e é eliminada e substituída por novos (frescas) conjuntos de combustível. A fracção do núcleo de combustível do reator substituído, durante o reabastecimento é tipicamente um quarto de um reactor de ebulição em água e de um terço para um reator de água pressurizada.

Nem todos os reatores têm de ser desligado para reabastecimento; por exemplo, reatores de leito de cascalho, reatores de sais fundidos e CANDU reatores permitir que o combustível a ser deslocada através do reactor enquanto está em execução. Num reactor CANDU, isto também permite que os elementos de combustível individuais para ser movida sobre o núcleo do reactor dentro de lugares que são mais adequados para a quantidade de L-235 no elemento de combustível.

A quantidade de energia extraída de combustível nuclear é chamado de "queimar", que é expressa em termos de energia térmica produzida por unidade de peso inicial de combustível. Queimar-se é comumente expressa em dias megawatts térmicos por tonelada métrica de metal pesado inicial.

Gestão de resíduos

A fase final do ciclo do combustível nuclear é a gestão do combustível ainda altamente radioativo, "passado", que constitui o componente mais problemática do lixo nuclear córrego. Após cinquenta anos de energia nuclear a questão de como lidar com esse material permanece repleto de preocupações de segurança e problemas técnicos, e uma das mais importantes linhas de crítica da indústria é baseada nos riscos a longo prazo e os custos associados ao tratamento das o desperdicio.

Gestão do combustível irradiado pode incluir várias combinações de armazenagem, reprocessamento e eliminação. No armazenamento prática tem sido a modalidade primária até agora. Normalmente, as barras de combustível irradiado são armazenados em uma piscina de água que geralmente está localizado no local. A água proporciona tanto de arrefecimento para o urânio ainda em decomposição, e protegendo a partir da radioactividade continuar. O reprocessamento é atraente, em princípio, porque (1) ele pode reciclar combustível nuclear e (2) ele pode preparar o material de resíduos destinados a eliminação. Experiência considerável com o reprocessamento em França no entanto, indicou que um ciclo de combustível de uma forma baseada na extração e processamento de novos suprimentos de urânio e armazenar o combustível irradiado é mais econômico do que o reprocessamento.

Reatores nucleares naturais

Um reactor de fissão nuclear natural, pode ocorrer sob certas circunstâncias que imitam as condições num reactor construído. O reator nuclear natural conhecido apenas formado de 2 bilhões de anos atrás, em Oklo, no Gabão, na África. [2] (http://www.ans.org/pi/np/oklo) Tais reatores não pode mais forma na Terra: o decaimento radioativo mais este imenso espaço de tempo reduziu a proporção de U-235 no urânio que ocorre naturalmente para abaixo da quantidade necessária para sustentar uma reação em cadeia.

Os reatores nucleares naturais formadas quando um depósito mineral rico em urânio ficou inundada com as águas subterrâneas que atuou como moderador de nêutrons, e uma reação em cadeia forte ocorreu. O moderador água iria evaporar como a reação aumentou, diminuindo-o de volta para baixo novamente e impedir um colapso. A reação de fissão foi apoiado por centenas de milhares de anos.

Estes reatores naturais são extensivamente estudada por cientistas interessados ??na eliminação dos resíduos radioactivos geológico. Eles oferecem um estudo de caso de como isótopos radioactivos migram através da crosta terrestre. Esta é uma área significativa de controvérsia como adversários do medo de eliminação de resíduos geológica que isótopos de resíduos armazenados pode acabar no abastecimento de água ou se projetem para o meio ambiente.

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Veja também

Referências e ligações

Patentes





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