CÁLCULO ESTEQUIOMÉTRICO DE REAÇÕES NUCLEARES PARA GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA NO BRASIL

Isabelle Lima; Gabriel Paulo;  Debora Pereira; Vitor Pisani;  Emily Vieira

Orientador: Profa. Rebeca Piumbato Chaparro

FACULDADES OSWALDO CRUZ

Bacharelado em Química

RESUMO: Uma das energias mais limpas e em desenvolvimento do mundo é a energia nuclear, que provém da energia liberada na fissão de um átomo como, por exemplo, o urânio. Para que essa energia seja liberada de forma não espontânea, é necessário a aplicação de técnicas e cuidados na realização dos procedimentos. Com o intuito de determinar de forma quantitativa a energia produzida por esse processo, este trabalho relatou cálculos estequiométricos de reações nucleares, principalmente o da fissão do urânio, os métodos utilizados para isso e o funcionamento de uma usina nuclear brasileira.

Palavras-chave: energia nuclear, cálculo estequiométrico, urânio.

1 INTRODUÇÃO

Energia nuclear é a energia liberada em uma reação nuclear, a qual os processos envolvidos podem ocorrer, em alguns elementos químicos, de forma espontânea, como no urânio. Isso ocorre com elementos que são isótopos e têm a capacidade de se transformarem em outros isótopos. Existem dois tipos de reação nuclear, a fusão, que consiste em juntar dois núcleos atômicos para formar um único outro, e a fissão, que consiste em separar um núcleo atômico para formar outros dois, como em um reator nuclear.

O urânio é considerado um elemento que no estado puro, é um sólido, duro, denso, de cor cinza, instável e muito radioativo.

No Brasil existem atualmente duas usinas nucleares, que estão localizadas no estado do Rio de Janeiro, a Angra 1, que tem potência de 640 megawatts e a Angra 2, que tem a potência 1350 megawatts. Está prevista, para os anos seguintes, a operação da Angra 3, que tem potência de 1405 megawatts. Estas usinas são importantes para a contribuição na geração de energia no Brasil, diminuindo a emissão de gases poluentes na atmosfera. As aplicações da energia nuclear são vastas na indústria, na medicina, na indústria farmacêutica, e na agricultura.

O objetivo deste trabalho é mostrar, com base nos dados da literatura, a aplicação de cálculos estequiométricos nas reações nucleares, para geração de energia elétrica no Brasil.

2 ENRIQUECIMENTO DO URÂNIO – INDUSTRIAS NUCLEARES DO BRASIL (INB)

O minério de urânio contém vários óxidos como UO₂, UO₃ e U₃O₈ que são extraídos e purificados para produzir urânio metálico. Para usar o urânio como combustível, é preciso enriquecê-lo, pois o urânio extraído e purificado é uma mistura de 99,3% de U²³⁸ e apenas 0,7% de U²³⁵. No Brasil, o enriquecimento do urânio é responsabilidade das Indústrias Nucleares do Brasil (INB). Inicialmente o minério de urânio passa por um processo de separação de impurezas e tratamento químico que vai transformá-lo em uma pasta chamada yellowcake (bolo amarelo) que contem 80% de U₃O­_8. Purifica-se o U₃O­₈ e reduz-se a UO₂ reagindo-o com H₂ (reação 1).

U3O­8(s)+ 2H2(g)

→

3NO2(g) + 2H2O(l)

(reação 1)

Após isso transforma-se o UO₂ sólido em UF₆ (gasoso)(reação 2 e 3).

UO2(s)+ 4HF(g)	→	UF4(g) + 2H2O(l)	(reação 2)
UF4(g) + F2(g)	→	UF6(g)	(reação 3)

Com uma mistura de ­_­­­­²³⁸UF₆ e ²³⁵UF₆ começa o enriquecimento do urânio obtendo uma mistura de até 98% de urânio-235. Após o enriquecimento produz-se urânio metálico pela reação com cálcio (reação 4).

UF6(g)+3Ca(s)

→

U(s) + 3CaF2(s)

(reação 4)

3 FUNCIONAMENTO DE UMA USINA NUCLEAR

Dentro de um reator nuclear existem barras de urânio enriquecido, que receberão nêutrons em alta velocidade. Estes rebaterão em paredes de chumbo e em alguma outra substância que irá desacelerar os nêutrons, para que possam atingir os átomos de urânio-235 das barras, que liberarão outros nêutrons para atingir outro átomo e provocar uma reação em cadeia. Os componentes de um reator nuclear são:

·       Combustível, como as barras de urânio-235, mas também podem ser plutônio-239;

·       Moderador, que diminuirá a velocidade dos nêutrons, uma vez que para quebrar o núcleo de urânio-235 o nêutron precisa estar em uma velocidade um pouco mais baixa que a inicial, o moderador fica entre as barras de combustível, preenchendo todo o espaço entre uma barra e outra, podendo ser grafite, água comum ou pesada;

·       Refletor, que refletirá os nêutrons dentro da caixa de reação, ou seja, são as paredes do reator normalmente feitas de grafite. E elas evitarão que os nêutrons saiam do reator e voltem para atingir as barras, assim não é preciso bombardear muitos nêutrons, o que é bastante perigoso;

·       Um sistema de controle, que são barras de cádmio e boro, colocadas no núcleo do reator, onde absorverão os nêutrons em excesso evitando que ocorram reações fora de controle e o reator super aqueça;

·       Sistema de refrigeração, de água comum, pesada, CO₂ ou sódio fundido, que retirará o calor do reator e o vapor poderá ser usado para aquecer outro sistema água por meio de um trocador de calor que gerará vapor sob pressão e girará uma turbina para energia elétrica;

·        Sistema de proteção, que isola o reator, como uma blindagem contra partículas externas, podendo ser feitas de aço e concreto.

4 PRODUÇÕES DE UMA USINA

Dentre os principais combustíveis que o Brasil possui como, a madeira, o carvão e o óleo natural, o urânio é o que mais se destaca quanto ao conteúdo energético, conforme mostra a Tabela 1.

Tabela 1: fontes de energia e energia produzidas por 1kg de cada material.

Combustível		Produz cerca de (energia)
1 kg de carvão		3 kW/h
1 m3 de gás natural		6 kW/h
1 kg de urânio natural	Usina nuclear com reator do tipo PWR	60.000 kW/h
	Usina nuclear com reator do tipo FBR	3.000.000 kW/h

O Brasil possui uma das maiores reservas de urânio, tendo-se identificado em apenas um quarto de seu território 309 mil toneladas. Dessa forma pode-se determinar a quantidade de energia mínima o Brasil pode produzir:

Considerando o reator do tipo PWR (menor potência), temos.

1 Kg de urânio              → 60.000 kW/h           x = 18.540.000.000.000 kW/h

 309.000.000 Kg de urânio → x

5 REAÇÃO DE FISSÃO DO URANIO

É importante ressaltar que a reação produz 3 nêutrons que serão responsáveis por atingir mais 3 átomos de urânio-235, que por sua vez liberarão 9 nêutrons e assim realizando uma reação em cadeia.

	→	(instável)	(5)
(instável)	→		(6)
	→		(7)

Para saber a quantidade de nêutrons liberados, é necessário considerar a massa da pastilha de urânio utilizada na reação. Sabendo que cada pastilha tem 1 cm de altura e raio 0,5 cm é possível encontrar sua área e respectivamente seu volume:

Área = πr²

Área = 3,14 x (0,5) ²

Área = 0,785 cm²

Volume = Área x altura

Volume = 0,785 x 1

Volume = 0,785 cm³

Sabendo que a densidade da pastilha é de 10,63 g/cm³, é possível encontrar sua massa:

d = m/V

10,63 = m/0,785

m = 8,344g

Essa massa corresponde a 100% de pureza do urânio-235, no entanto as indústrias utilizam até 3,75% de pureza deste material, dessa forma tem-se:

8,344g → 100%                  x = 0,3129g de

x g    → 3,75%

A partir daí podemos encontrar o número de nêutrons liberados:

1 mol de → 235g                                 x = 0,00133 mol de

x mol    → 0,3129g

1 mol de → 3 mol de nêutrons            x = 0,00399 mol de nêutrons

0,00133 mol  → x mol de nêutrons

1 mol de → 6,02x10²³ nêutrons        x = 2,4x 10²¹ nêutrons liberados

0,00399 mol →  x mol de nêutrons

6 CONCLUSÃO

A partir dos estudos feitos com o artigo realizado, foi possível entender o que é energia nuclear bem como funcionam suas usinas, além de estudar diferentes reações nucleares, e a partir dessa, como a da fissão do urânio, calcular quantos nêutrons são liberadas para a produção de energia.

7 REFERÊNCIAS

ANEEL. Energia no Brasil e no mundo. Disponível em: <http://www.aneel.gov.br/arquivos/pdf/atlas_par1_cap2.pdf>. Acesso em: 15 de set, de 2015;

BRITANNICA. Uranium-235. Disponível em: <http://www.britannica.com/science/uranium-235>. Acesso em: 19 de set, de 2015.

EN.WIKIPEDIA. Uranium. Disponível em: <https://en.wikipedia.org/wiki/Uranium-235>. Acesso em: 19 de set, de 2015;

IGNATIUS. Radioatividade. Disponível em: <http://www2.ignatius.edu/faculty/decarlo/SurfacePower/Pages/RadioactivityLesson.htm>. Acesso em: 19 de set, de 2015;

R. Feltre, química, vol. 2, cap. 10, reações nucleares, ed. Moderna, 6ª edição, São Paulo, 2014;

SCIELO. Marcos da história da radioatividade e tendências atuais. Disponível em: <http://www.scielo.br/pdf/qn/v30n1/18.pdf>. Acesso em: 15 de set. de 2015.