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Projeto FEUP 2014/2015 -- Engenharia Mecânica :
Armando J. Sousa / Teresa Duarte
Equipa 1M08_2:
Supervisor: Teresa Duarte Monitor: Sandra Reis
Autores:
Pedro Fernandes up201403923@fe.up.pt
Rui Martins up201403435@fe.up.pt
João Henriques up201403555@fe.up.pt
Joana Perez up201403673@fe.up.pt
2014/2015
Faculdade de Engenharia do Porto
Projecto Feup
1M08_2 - Engenharia Mecânica
O Papel da Engenharia Mecânica nas Energias não Renováveis Energia Nuclear 2/22
Resumo
No âmbito da unidade curricular Projecto FEUP o presente trabalho aborda a “Energia
Nuclear” com o sub-tema de “Papel da Engenharia Mecânica nas Energias não Renováveis”
A energia nuclear é um recurso energético que se inclui nas energias não renováveis.
Deste modo, existem dois processos para obter energia a fusão ou a fissão nuclear, sendo o
segundo o que se utiliza para obter energia nas centrais nucleares.
A obtenção de energia eléctrica a partir de energia nuclear ocorre nos reatores
nucleares, nestes ocorre as reações nucleares que liberta energia que por sua vez aquece
água até que esta se evapore e faça mover uma turbina que está anexada a um gerador.
Este processo de obtenção de energia tem um alto rendimento, por outro lado apesar
de o risco de ocorrerem acidentes ser pequeno se algum ocorrer tem impactos desastrosos
no ambiente.
A produção de energia nuclear a nível da UE está em evolução sendo o maior produtor
a França, a nível mundial os maiores produtores são os Estados Unidos.
A produção de energia nuclear deve aumentar exponencialmente no futuro devido a ter
um grande rendimento e a não poluir atmosfera como as outras energias não renováveis,
isto é ainda mais confirmado, se houver descobertas que permitam rentavelmente utilizar o
método de fusão nuclear.
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Palavras-Chave
Fissão
Fusão
Energias não renováveis
Reatores
Radioatividade
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Índice
1. Introdução __________________________________________________________ 5
2. O que é a Energia? ___________________________________________________ 6
2.1 Energias não renováveis ____________________________________________ 6
2.2 Energia Nuclear ___________________________________________________ 6
3. Fissão e Fusão nuclear ________________________________________________ 7
4. Como se obtém a energia? _____________________________________________ 9
4.1. Processo ________________________________________________________ 9
4.2. Características do Reator __________________________________________ 10
4.3. Energia Envolvida ________________________________________________ 10
5. Vantagens e Desvantagens ___________________________________________ 12
5.1. Vantagens ______________________________________________________ 12
5.2. Desvantagens ___________________________________________________ 12
6. Dados Estatísticos da Produção de Energia Nuclear ________________________ 14
7. Futuro da Energia Nuclear ____________________________________________ 16
8. A Energia Nuclear em Portugal _________________________________________ 17
9. Conclusões ________________________________________________________ 19
10. Referências bibliográficas ____________________________________________ 20
Índice de Imagens
Figura 1: Fissão Nuclear. [14] _____________________________________________ 7
Figura 2: Fusão Nuclear. [15] _____________________________________________ 8
Figura 3: Funcionamento de uma central nuclear. [16] _________________________ 10
Figura 4: Diagrama das energias dissipadas numa central nuclear. _______________ 11
Figura 5: Dados estatísticos da produção de Energia Nuclear pelos países da EU-28 14
Figura 6 : Distribuição do urânio por Portugal Continental [17] ___________________ 17
Figura 7 : Custos da energia por kilowatt-hora [17] ____________________________ 18
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1. Introdução
O tema deste relatório é a energia nuclear, uma das energias não renováveis. Irá ser
abordado o modo como esta energia é obtida, as suas vantagens e desvantagens, os dados
estatísticos da sua produção e qual será o seu futuro. Será abordada tanto a fusão como a
fissão nuclear focando maioritariamente na segunda.
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2. O que é a Energia?
A energia é um recurso essencial à vida pois é ela que nos permite efetuar todos os
movimentos e está presente em ações como a transferência de calor ou transmissão de
ondas. Existem vários tipos de energia conforme a sua fonte, como a energia térmica,
mecânica, elétrica, radiante, química e nuclear. As energias podem ser renováveis ou não
renováveis.
2.1 Energias não renováveis
Estas energias são definidas não renováveis, pois a taxa de consumo é superior à taxa
a que são repostas naturalmente. Entre estas fontes encontram-se os combustíveis fosseis
e aquela que é abordada neste relatório a energia nuclear.
2.2 Energia Nuclear
A energia nuclear é um tipo de energia proveniente de uma reação nuclear entre
átomos. Estas reações libertam grandes quantidades de energia tornando-se desta forma
possível de ser explorada como uma fonte energética.
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3. Fissão e Fusão nuclear
Existem dois processos de obtenção de energia nuclear. A fissão e a fusão nuclear.
Estes dois processos são bastante distintos.
Em primeiro lugar o processo de fissão nuclear que consiste no bombardeamento de
materiais metálicos radioativos, como o urânio, por neutrões dividindo os núcleos
culminando na libertação de energia. Para obter energia por este processo é necessário,
para além de, um reator que consiga aguentar uma possível reação em cadeia uma maneira
de dispor da grande quantidade de resíduos radioativos que este produz
.
Figura 1: Fissão Nuclear. [14]
Por outro lado, o processo de fusão nuclear consiste na fusão de dois núcleos de
átomos muito pequenos, por exemplo, o deutério e o trítio originando um núcleo de hélio e
libertando energia no processo.
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Figura 2: Fusão Nuclear. [15]
Não gera quase nenhum resíduo radioativo, as reações em cadeia são inexistentes e
gera 3 a 4 vezes mais energia que a fissão nuclear.
Contudo este processo não é de momento viável devido à elevada quantidade de
energia que é necessário para unir os dois núcleos, por essa razão ainda não foram
desenvolvidos reatores eficazes para este processo. Ou seja, apesar dos reatores
conseguirem alcançar a fusão nuclear é despendida mais energia para iniciar a reação do
que aquela que é obtida no fim da mesma. Um exemplo destes reatores experimentais que
apesar de não conseguirem fazer esta reação com resultados viáveis, conseguem fazer a
fusão dos dois núcleos. Um destes reatores encontra-se na europa associado ao projeto
Iter. [6],[17]
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4. Como se obtém a energia?
4.1. Processo
O processo de obtenção de energia nuclear inicia-se com pequenas pastilhas de urânio
(1cm de diâmetro x 1 cm de altura), estas são colocadas em milhares de tubos (varetas de
combustível, com 4m de comprimento) que posteriormente são colocadas no interior do
reator nuclear, onde ocorrem as reações de cisão nuclear.
A água é um componente importante neste procedimento pois constitui uma fonte de
absorção de energia e permite a continuação das reações em cadeia. Essa água que
recebe a energia atinge temperaturas na ordem dos 3000ºC, mas apesar das elevadas
temperaturas esta mantém se no estado liquido devido á pressão constante a que é mantida
(1060 bars).
Esta água é bombeada para o gerador de vapor onde a pressão desce e a água
vaporiza de seguida este vapor irá aquecer um outro reservatório de agua, pela razão de a
primeira ser radioativa (por ter estado em contato com o urânio).
Este vapor fará movimentar uma turbina, a qual está ligada sobre um eixo a um gerador,
gerador este que consiste num dínamo a indução eletromagnética para desta forma
transformar energia mecânica em energia elétrica.
Por fim, uma terceira água é utilizada para resfriar o reator. Sendo posteriormente
libertada para o meio ambiente como vapor de água pela torre de arrefecimento. [4],[5],[6]
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Figura 3: Funcionamento de uma central nuclear. [16]
4.2. Características do Reator
Um reator nuclear de fissão é uma montagem que permite a ocorrência controlada de
fissões nucleares. Nas centrais nucleares, o reator nuclear é aproveitado como fonte calor,
este gera enormes quantidades de calor sendo toda a sua estrutura exposta às elevadas
temperaturas e radiações que se geram no seu interior, por essa razão todo o reator é
hermeticamente isolado e rodeado por um espesso escudo constituído por cimento e aço
para evitar qualquer tipo de fugas para o exterior. [4],[12]
4.3. Energia Envolvida
Este processo produz enormes quantidades de energia. Por exemplo, duas pequenas
pastilhas de urânio produzem energia suficiente para uma habitação média, durante um
mês. Sendo que, o urânio é utilizado em varetas com cerca de 400 pastilhas iguais.[6]
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Figura 4: Diagrama das energias dissipadas numa central nuclear.
Contudo este processo possui imensas perdas de energia, principalmente na
transformação da energia calorifica em energia elétrica. Uma central nuclear eficiente tem
apenas no máximo 35% de energia.
Apesar de tudo isto a energia nuclear é a fonte energética com maior capacidade de
obtenção de energia em relação a todas as outras que estão a ser exploradas. [6]
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5. Vantagens e Desvantagens
5.1. Vantagens
Uma das principais vantagens da energia nuclear são as grandes quantidades de
energia produzidas, explicadas anteriormente.
Por outro lado, em relação as energias provenientes dos combustíveis fósseis, a
poluição atmosférica é reduzida. Não liberta grandes quantidades de gases como: dióxido
de carbono, enxofre, nitrogênio e etc… (liberta fundamentalmente vapor de água)
Por último, não depende das condições climáticas. Ao contrario de outras fontes de
energia nomeadamente algumas das renováveis (solar, eólica)
5.2. Desvantagens
No entanto, também possui algumas desvantagens.
Trata-se de uma energia não renovável.
Apesar de a probabilidade de acontecer um acidente ser reduzida, pois a segurança
numa central nuclear é levada muito a sério, os problemas acontecem. Como podemos
verificar no recente acidente de Fukushima. Um acidente destes é capaz de contaminar
águas, criar mutações e mortes nos seres vivos e prejuízos a longo prazo.
As centrais são locais com grande probabilidade de sofrerem um ataque terrorista.
pois elas destruídas podem causar muitos danos como foi referido anteriormente. [1]
Uma das principais desvantagens é o lixo nuclear. Este lixo é constituído
essencialmente pelo material radioativo que já não pode ser utilizado como combustível e
também por todos os resíduos que entraram em contacto com o material radioativo. Desde
os resíduos da mineração aos fatos utilizados pelos trabalhadores. Todo este lixo é
altamente radioativo e precisa de ser isolado do meio ambiente durante centenas de anos. E
o problema, está em encontrar os sítios certos. Normalmente são armazenados em caixotes
de ferro e colocados em espaços geológicos apropriados ou em minas abandonadas.
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A água utilizada para resfriar os reatores, volta aos ecossistemas pelos lagos, rios e
etc… Mas só que essa água por vezes volta a temperaturas elevadas. Gerando assim uma
poluição térmica. Em que por exemplo, pode reduzir a solubilidade do oxigênio influenciando
assim os seres vivos que lá habitam.
Para além de tudo isto, os elevados custos econômicos da construção de uma
central nuclear também se apresenta como um obstáculo. Está é , por exemplo, uma das
principais razões pela qual Portugal não produz este tipo de energia.[3]
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6. Dados Estatísticos da Produção de
Energia Nuclear
O principal uso da energia nuclear é na produção de eletricidade. A sua produção bruta
na UE-28 países em 2012 aumentou cerca de 11% em relação a 1990, o equivalente a um
aumento médio de 0,5% ao ano. No entanto, duas tendências diferentes podem distinguir-se
ao longo deste período. De 1990 a 2004, a quantidade total de eletricidade produzida em
instalações nucleares na UE aumentou 23,0%, atingindo um pico de 1 008,4 milhões GWh
em 2004. Entre 2004 e 2012, a produção total da energia nuclear na UE-28 diminuiu cerca
de 12,5%.
O pico da produção de eletricidade em centrais nucleares na UE foi atingido em 2004,
sendo que foi lentamente diminuindo até 2012. Neste ano, as centrais nucleares, presentes
em metade dos países da UE, Bélgica, Bulgária, República Checa, Alemanha, Espanha,
França, Hungria, Países Baixos, Roménia, Eslovénia, Eslováquia, Finlândia, Suécia e Reino
Unido, geraram cerca de 30% de toda a eletricidade produzida na União Europeia.
Figura 5: Dados estatísticos da produção de Energia Nuclear pelos países da EU-28
Como podemos ver no gráfico a cima, o maior produtor de energia nuclear na UE-28 em
2012 foi a França (48,2%) do total, seguido da Alemanha (11,3%), Reino Unido (8,0%),
Suécia (7,3%) e Espanha (7,0%). 80% do volume total de eletricidade gerada em
instalações nucleares na UE é gerada por estes 5 estados-membros.
De 1990 a 2012, a maioria dos países aumentou a sua produção de energia nuclear, a
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República Checa (141,0%), França (35,4%), Eslováquia (28,7%), etc. Outros diminuíram a
sua produção de energia nuclear, como a Alemanha, que registou a maior queda (-53 008
GWh), seguida pela Lituânia (-17 033 GWh), cujas instalações nucleares deixaram de estar
ativas em 2009.
(Os dados mais recentes disponíveis são para 2012 e estão disponíveis para todos os
28 Estados-Membros da UE).
Os Estados Unidos são os maiores produtores de energia nuclear do mundo, de acordo
com o ranking da ONG World Nuclear Power. Por ano, produzem cerca de 798,7 bilhões de
kWh de energia em 104 reatores nacionais. Os franceses ocupam a segunda posição no
ranking dos maiores produtores de energia nuclear do mundo, com 391,7 bilhões de kWh
por ano. A França é um dos países mais dependentes de energia nuclear do mundo. Cerca
de 75% de toda a energia que usa vem de fontes radioativas. Segue-se do Japão, Rússia,
Correia do Sul, Alemanha, Canadá, Ucrânia e China. [7],[8],[9]
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7. Futuro da Energia Nuclear
Na geração atual, a energia elétrica provém essencialmente dos combustíveis fosseis,
dando alguma notoriedade ao petróleo e ao carvão, estes são os principais contribuidores
do aumento da emissão de dióxido de carbono para a atmosfera que por conseguinte se
repercute no aquecimento global. Tendo por base este conhecimento é necessário focar a
nossa dependência energética noutra fonte, como por exemplo, a energia nuclear. As
estações nucleares conseguem produzir energia eficazmente sem emitirem grandes
quantidades de agentes nocivos para a atmosfera, sendo, assim, vista como uma energia
“limpa” pelo simples facto de que esta não polui o ar. Todavia a energia nuclear também tem
os seus defeitos, pois esta trabalha com materiais radioativos que são altamente tóxicos,
podendo causar queimaduras, doenças de sangue e cancros. O lixo radioativo também é
um dos seus problemas, e representa uma séria questão no impacto ambiental devido ao
facto de este ter de ser armazenado. O que em caso de acidente danifica enormes áreas,
como aconteceu em 1986 em Chernobyl, Ucrânia, em que mais de 100,000 pessoas tiveram
de ser realojadas devida à nuvem de partículas radioativas que pairou em redor da
central.[10]
Por estas razões o objetivo primário da energia nuclear passa por transformar esta
energia num recurso capaz de assegurar a nossa necessidade energética, garantir um
desenvolvimento sustentável e melhorar a sua segurança. Isto só será possível através do
desenvolvimento de novas tecnologias, de soluções que melhorem a fiabilidade e ainda
garantam a segurança.
Nesta procura por novas tecnologias, foi desenvolvido outro tipo de processo para a
obtenção de energia através da energia nuclear, a fusão nuclear. A fusão nuclear oferece
um fonte de energia capaz de produzir incomensuráveis quantidades de energia de forma
imparável para futuras gerações, contudo também representa um dos maiores desafios ao
nível da ciência e da engenharia. [11]
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8. A Energia Nuclear em Portugal
Atualmente, em Portugal, não se produz energia nuclear, nem existem projetos
governamentais para que Portugal inicie a sua produção, a curto prazo. Com a elevada
procura pelo minério, urânio, Portugal está a ser foco de alguns estudos por parte de
empresas internacionais, porque para já toda a produção nacional de urânio nas minas
(da Urgeiriça) é exportada, visto que o país não possuí centrais nucleares.
Figura 6 : Distribuição do urânio por Portugal Continental [17]
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A Quercus apresentou de forma sucinta as razões pelas quais considera inviável,
num quadro de desenvolvimento sustentável do país e a bem da economia portuguesa, a
opção pela energia nuclear.
1. Portugal tem uma enorme oportunidade na conservação de energia e eficiência energética
2. O potencial de implementação das energias renováveis em Portugal é enorme (da energia eólica, biomassa e solar, sendo que a hídrica já apresenta níveis de exploração bastante consideráveis)
3. A energia nuclear serve para produzir eletricidade e esta representa apenas cerca de 20% do consumo de energia final do país
Uma central térmica recorrendo a combustível nuclear apenas consegue produzir eletricidade e Portugal depende sobretudo de combustíveis fósseis, como o petróleo, relacionado com o uso da energia em sectores como os transportes e a indústria.
4. A energia nuclear é muito mais cara
A produção de energia nuclear é das mais dispendiosas, contrariamente ao que é habitualmente comunicado aos cidadãos (apenas o solar fotovoltaico apresente valores mais elevados).
Figura 7 : Custos da energia por kilowatt-hora [17]
5. A falácia da produção limpa em termos de emissões de gases de efeito de estufa
A produção de energia nuclear não é isenta de emissões de gases de efeito de estufa responsáveis pelas alterações climáticas, quer na sua construção, como na exploração do Urânio e no transporte e processamento dos resíduos. Os níveis calculados de emissão em termos de ciclo de vida colocam uma central nuclear numa situação pior que uma central a gás natural.
6. Segurança de abastecimento comprometida - Potencialidade de descentralização oferecida pelas energias renováveis é contrariada por uma central nuclear
A segurança de abastecimento é um dos aspetos mais relevantes para evitar problemas como os blackouts que sucederam na costa Oeste dos Estados Unidos e no Brasil, ou ameaças externas como o bloqueio de fornecimento de combustível (como aconteceu nos problemas entre a Rússia e a Ucrânia). Tem sido assim defendida uma descentralização da produção que, no limite, será baseada em energias renováveis associadas às próprias residências, até porque assim existem menos perdas no transporte. Assim, a produção centralizada com uma enorme potência instalada contradiz objetivos de longo prazo que
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têm vindo a ser reforçados à escala europeia e num quadro de maior sustentabilidade da gestão da produção e consumo de eletricidade. [17]
9. Conclusões
Em suma, a energia nuclear é uma fonte de energia altamente rentável, com um muito
pequeno impacto ambiental em comparação com as outras energias não renováveis.
Todavia também tem alguns pontos fracos, como o impacto aquando de um acidente numa
central nuclear e os resíduos radioativos resultantes da produção da mesma. Assim, com o
avançar da tecnologia e da ciência esta energia tornar-se-á cada vez mais rentável e
segura.
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O Papel da Engenharia Mecânica nas Energias não Renováveis Energia Nuclear 22/22
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