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Como descobrir se uma usina nuclear poderá ser uma Chernobyl ou uma Fukushima

Fonte: Jornal da Ciência

Artigo de Sidney Luiz Rabello, engenheiro em Segurança de Usinas Nucleares e membro da Comissão Nacional de Energia Nuclear, para o Jornal da Ciência

Nas usinas de Chernobyl e de Fukushima e, anteriormente, em Three Mile Island (TMI), ocorreu o acidente de fusão do combustível nuclear, o urânio. Este acidente é conhecido como acidente severo e não fazia parte do projeto de segurança destas usinas ou das usinas de projeto da década de 1970.

Antes de caracterizar os recursos de projeto que permitem o reconhecimento se uma usina nuclear pode resistir ou evitar acidentes severos e os fenômenos associados, algumas noções básicas são necessárias para garantir uma visão abrangente.

 

Como a energia nuclear gera energia elétrica

Quando há a divisão do urânio em duas partes (fissão nuclear), é gerado calor. Este calor produz vapor d’água, que gira uma turbina, que gira um gerador elétrico, que envia energia elétrica aos consumidores por linhas de transmissão. É o mesmo processo que ocorre nas demais usinas térmicas. O carvão, o óleo combustível do petróleo e o gás são queimados e geram calor. Este calor gera vapor e assim por diante. Portanto, uma usina nuclear não é nada mais que uma chaleira nuclear.

 

Por que o reator nuclear é desligado, mas ele não desliga

Na verdade, quando se desliga um reator nuclear se interrompe a reação nuclear em cadeia e 99% da geração de calor. O problema é o 1% de calor restante, que não se consegue desligar, gerado pela radiação dos fragmentos de fissão, que são as partes em que o urânio foi dividido decorrente da fissão nuclear.

Um por cento parece muito pouco, mas não é. Angra 1 gera 600 MW de energia elétrica ou 1800 MW de calor. Desligada, Angra 1 continua gerando 18 MW de calor que seria capaz de alimentar 180 mil lâmpadas incandescentes de 100 W ou 1,8 milhão de lâmpadas LED de capacidade de iluminação equivalente ou ainda de atender mais de 80 mil residências de consumo médio mensal de 157 kWh (08/2015), utilizando-se a equivalência de energia elétrica. E pior, este calor é suficiente para derreter ou fundir o núcleo do reator. Portanto, o 1% de calor restante, conhecido como calor residual, representa muito calor e muita água é necessária para retirar este calor para impedir a fusão do núcleo.

Isto é surpreendente, pois as outras usinas térmicas não tem este calor residual: desligou-se o gás, interrompeu-se a queima do carvão e do óleo combustível, a geração de calor acaba imediatamente. Então, a chaleira nuclear é perigosa por causa do calor residual, isto é, desliga-se a usina nuclear, mas ela continua a gerar calor. Este é o perigo real que dá início a acidentes de grandes proporções. Se não se retira este calor, o reator se funde, o material radioativo pode ir para o meio ambiente, alcançar grandes distâncias como ocorreu nos acidentes de Chernobyl e Fukushima e complicar a vida de quem vive nas regiões atingidas.

 

O que é um Acidente Severo

De acordo com a definição da Agência Internacional de Energia Atômica, um acidente severo é um acidente que envolve degradação significativa do núcleo do reator. Em outras palavras, significa a fusão parcial ou total do urânio no interior do reator. A causa é a falha da refrigeração do reator, isto é, a falta de água para retirar o calor residual.

 

Por que antes de TMI o acidente severo não era considerado

O acidente de 1979 na usina de Three Mile Island (TMI) nos EUA mudou a história (e o projeto) da segurança nuclear. Antes de TMI, era considerado no projeto de segurança nuclear um conjunto de acidentes frequentes e de baixa probabilidade de ocorrência, isto é, para este conjunto de acidentes, esperava-se que o projeto de segurança nuclear garantisse que nenhum material radioativo seria liberado para o meio ambiente (princípio de defesa em profundidade). Este conjunto de acidentes não incluía os acidentes severos de fusão do núcleo do reator de probabilidade muito baixa de ocorrência.

A exclusão dos acidentes severos era reforçada pela crença de que a duplicação dos sistemas de segurança, chamada de redundância e decorrente da aplicação do princípio de falha simples, seria suficiente para evitá-los. Antes de 1979, acreditava-se que, durante um desligamento inesperado ou em função de acidentes, se falhasse um sistema de emergência de água de refrigeração do núcleo do reator, um segundo sistema, uma duplicação do primeiro, seria suficiente para impedir a fusão do núcleo do reator. O acidente de TMI veio a demonstrar que isto nem sempre é verdade, pois ocorreram falhas múltiplas, desencadeando um acidente severo com fusão de cerca de 50% do núcleo e uma explosão de hidrogênio dentro do Edifício de Contenção, felizmente de proporções limitadas a 50% da pressão de projeto. Só não foi um acidente mais grave com fusão total do núcleo e com liberação abundante de hidrogênio, desafiando o Edifício da Contenção, por fatores circunstanciais.

As múltiplas falhas que levaram ao acidente de TMI decretou a fragilidade do princípio de falha simples e ficou evidenciado que os acidentes severos de fusão do núcleo do reator deveriam estar incluídos no projeto de segurança de todas as usinas novas. As usinas em operação deveriam ser reformadas, com o objetivo de garantir que o material radioativo resultante do acidente não seja liberado para o meio ambiente ou então liberado em quantidades bem limitadas. Na década de 1980, a Agência de Segurança Nuclear dos EUA (USNRC) estabeleceu regulamentação exigindo que os acidentes severos de fusão do núcleo fossem incorporados ao projeto de segurança nuclear, acompanhada posteriormente pela regulamentação da Agência Internacional de Energia Atômica (AIEA).

Particularmente, após a transformação em lei da Convenção de Segurança Nuclear em 1999, o Brasil se comprometeu na aplicação dos princípios fundamentais e das normas (diretrizes) de segurança formuladas pela AIEA (inciso VIII do preâmbulo da Convenção). O artigo 6° da mesma Convenção estabelece que o Brasil garantirá a segurança das usinas existentes através da introdução de melhorias para elevar o nível de segurança. Estes dois itens da Convenção estabeleceram para o Brasil, a partir de 1999, o compromisso internacional de incluir os acidentes severos de fusão total do núcleo no projeto das usinas novas e a realizar reformas nas usinas em operação para limitar ou evitar a liberação de material radioativo em caso de ocorrência de acidentes severos.

 

Os fenômenos gerados pelos acidentes severos de fusão do núcleo

(1) Ejeção do Núcleo Fundido a Alta Pressão: O núcleo fundido é ejetado do vaso do reator à alta pressão para o interior do Edifício da Contenção;

(2) Temperaturas e Pressões: Juntamente com a ejeção do núcleo fundido para a contenção, haverá a liberação de grande quantidade de vapor e o Edifício da Contenção será submetido a altas temperaturas e pressões;

(3) Detonação de Hidrogênio: O núcleo fundido, em contato com a água do reator e, quando ejetado, com a água do piso do Edifício de Contenção, causará a formação de grandes quantidades de hidrogênio, decorrente da dissociação da água. As quantidades de hidrogênio envolvidas tem grande potencial de detonação na presença de oxigênio do Edifício de Contenção;

(4) Decomposição do Concreto do Piso da Contenção: O núcleo fundido ejetado para a contenção entrará em contato direto com o concreto do piso, provocando a sua decomposição, podendo atingir o lençol freático, e a geração de grandes quantidades de monóxido de carbono, que em contato com o oxigênio também pode gerar explosões; e

(5) Explosão de Vapor: O contato do núcleo fundido a alta temperatura com a água fria poderá causar instantaneamente explosões de vapor de diversas intensidades, em alguns casos, superiores à decorrente da detonação de hidrogênio.

Depois do acidente de TMI de 1979, adotou-se a estratégia para o projeto de segurança nuclear de diminuir a probabilidade de ocorrência de acidentes severos dentro do razoável e introduzir recursos de projeto para impedir a liberação de material radioativo para o meio ambiente no caso da ocorrência da fusão total do núcleo do reator.

 

Estes recursos são de dois tipos:

(1) evitar que os fenômenos ocorram, por exemplo, impedir a ejeção do núcleo a alta pressão, despressurizando o reator a tempo; ou

(2) incluir sistemas, estruturas e dispositivos para controlar ou mitigar os fenômenos e manter contido o material radioativo no Edifício de Contenção do Reator.

Como o projeto de segurança nuclear evita a liberação de material radioativo para o meio ambiente

Antes, como depois do acidente de TMI, a estratégia de projeto é a mesma, ou seja, a última barreira de proteção do meio ambiente não pode ser ultrapassada pelo material radioativo. A última barreira é conhecida como Edifício de Contenção, em geral uma estrutura de aço onde o reator nuclear está instalado. Portanto, a partir da década de 1980, o Edifício da Contenção e seus sistemas passaram a ser projetados para resistir aos fenômenos decorrentes do acidente severo de fusão do núcleo do reator.

Como vimos anteriormente, o Edifício da Contenção é projetado para resistir apenas a fenômenos internos decorrentes de acidentes. Para protegê-lo de fenômenos externos (chuvas, ventos fortes, marés, tsunamis, ruptura de barragens, explosões, atos terroristas, etc.), é construída uma barreira de concreto especificamente projetada para esta finalidade. Esta estrutura de proteção do Edifício de Contenção tem o nome de Edifício do Reator, que também tem a finalidade de servir de blindagem de radiação.

Afinal, como reconhecer se o projeto de segurança inclui o acidente de fusão do núcleo

 

Para este reconhecimento, o projeto de segurança exige uma análise detalhada de Engenharia para se concluir se resiste aos fenômenos decorrentes da fusão do núcleo do reator, como a introdução de dispositivos de despressurização do reator e a resistência à pressão e temperatura do Edifício da Contenção.

No entanto, a ejeção do núcleo fundido para fora do reator implica em cuidados que requerem um layout especial para o Edifício da Contenção de fácil reconhecimento. É necessário um Tanque Coletor para o Núcleo Fundido ("core catcher”) projetado para impedir a decomposição do concreto do piso do reator.

O Tanque Coletor para o Núcleo Fundido requer refrigeração para não ser danificado e, então, deve ser previsto um sistema de refrigeração exclusivo para resfriar o núcleo fundido, sem necessidade de uso de energia elétrica e contando com um grande Reservatório de Água.

Portanto, a inclusão do acidente de fusão do núcleo no projeto de segurança pode ser reconhecida prontamente se, no interior do Edifício da Contenção, encontram-se o Tanque Coletor para o Núcleo Fundido e o Reservatório de Água do Sistema de Refrigeração.

No caso do projeto de segurança do reator EPR (Evolutionnary Pressurized Reactor) da projetista francesa AREVA, o Tanque Coletor para o Núcleo Fundido e o Reservatório de Água podem ser identificados facilmente. Isto pode ser visto no vídeo demonstrativo "AREVA – Safety profile of the EPR reactor” no endereço https://www.youtube.com/watch?v=QHoaJmK2aac. O primeiro EPR da AREVA teve sua construção iniciada em agosto de 2005 na Finlândia, Olkiluoto-3, de 1600 MW. A solicitação da licença de construção foi requerida em janeiro de 2004.

Então, o Gerenciamento de Acidentes Severos por si só não resolve nada

Exatamente, não resolve nada. O Gerenciamento de Acidentes Severos é um conjunto de instruções escritas na forma de procedimentos com a finalidade de orientar os operadores como atuar durante um acidente severo.

É apenas um papel escrito e não inclui Tanque Coletor do Núcleo do Reator e o Reservatório de Água dentro do Edifício da Contenção, nem recursos físicos para se evitar a detonação de hidrogênio, a explosão térmica ou ainda a ejeção do núcleo fundido a alta pressão.

O Gerenciamento de Acidentes Severos apenas orienta os operadores na utilização adequada dos recursos físicos existentes, que podem ser muito limitados se o acidente severo não for incluído no projeto de segurança da usina. Não havendo os meios adequados, como nas usinas de projeto da década de 1970 não reformadas, o Gerenciamento de Acidentes Severos não impedirá a evolução do acidente severo para situações de grandes liberações de material radioativo para o meio ambiente, tais como Chernobyl e Fukushima.

Deve-se ter uma atenção especial na identificação de informações diversionistas, pois a pomposidade do nome "Gerenciamento de Acidentes Severos” pode ser utilizada como meio de se criar ilusões de que a segurança nuclear possa estar garantida. O Gerenciamento de Acidentes Severos pode ser apenas uma pintura bonita em cima de uma lataria totalmente podre, que se desfaz assim que a compra do carro se realiza (ou que o acidente ocorra).

 

* As opiniões do autor não necessariamente refletem as posições da Comissão Nacional de Energia Nuclear.

 

** A equipe do Jornal da Ciência esclarece que o conteúdo e opiniões expressas nos artigos assinados são de responsabilidade do autor e não refletem necessariamente a opinião do jornal.

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