Please use this identifier to cite or link to this item:
http://hdl.handle.net/1843/BUBD-9BWK5E| Type: | Dissertação de Mestrado |
| Title: | Análise exergética do ciclo do combustível nuclear: etapa da mineração até a obtenção do concentrado de urânio (yellow cake) |
| Authors: | Jonathas Ferreira de Almeida Neto |
| First Advisor: | Ricardo Brant Pinheiro |
| First Co-advisor: | Omar Campos Ferreira |
| First Referee: | Omar Campos Ferreira |
| Second Referee: | Delly Oliveira |
| Third Referee: | Claubia Pereira Bezerra Lima |
| Abstract: | O objeto deste trabalho é realizar a análise exergética da etapa inicial do ciclo do combustível nuclear, abrangendo desde a mineração e o tratamento do minério até a produção de concentrado de urânio (yellow cake). Ele dá continuidade aos trabalhos desenvolvidos no Departamento de Engenharia Nuclear da UFMG, na área de concentração Engenharia da Energia e, mais especificamente, na área de análise exergética visando ao planejamento energético. O presente trabalho faz também o acoplamento de seus resultados com aqueles obtidos da etapa subseqüente, de conversão do concentrado de urânio em hexafluoreto de urânio (UF6), objeto da dissertação Análise Exergética do Ciclo do Urânio Combustível - Etapa Intermediária de Obtenção do UF6, de Carlos Vicente Goulart de Azevedo [21], orientadapelo prof. Omar Campos Ferreira. Nesta dissertação os investimentos exergéticos das etapas de purificação do concentrado de urânio e de conversão do diuranato de urânio (DUA) em hexafluoreto de urânio (UF6) puderam ser estimados. Outras dissertações tratarão, no futuro, das demais etapas do front-end do ciclo do combustível, incluindo o enriquecimento isotópico, a fabricação dos elementos combustíveis, a geração de energia elétrica num reator nuclear de potência e, mais adiante, as etapas do back-end do ciclo do combustível nuclear. A exergia ou disponibilidade energética de um sistema termodinâmico, num dado estado, pode ser definida como o trabalho máximo que se pode obter levando-se o sistema ao estado de equilíbrio com o ambiente, por meio de um processo reversível. Em todo processo real (irreversível), há uma quantidade de trabalho não realizável, que dá umamedida da irreversibilidade do processo. O conceito de exergia, decorrente da Primeira e da Segunda Leis da Termodinâmica, foiinicialmente introduzido por G. J. Gouy e A. Z. Stodola [1, 2], que quantificaram o trabalho útil perdido num processo termodinâmico. Z. Rant [3] publicou um artigo utilizando, pela primeira vez, a palavra exergia e deu origem a uma série de artigos sobre a aplicação do conceito de exergia, principalmente na Europa. Nas décadas de 70 e 80, J. Szargut [4], T. A. Brzustowski e P. J. Golem [5-7] adotaram o termo exergia e aplicaram análises exergéticas em diversos trabalhos. A análise exergética de um sistema termodinâmico consiste, fundamentalmente, na identificação e quantificação das irreversibilidades do sistema, com a aplicação das exergias de entrada (insumos) e de saída (produto e rejeitos) no sistema, e no cálculo do grau cumulativo de perfeição. A análise exergética de um sistema possibilita exprimir as limitações energéticas de diferentes processos, tais como tecnológicos, econômicos, ambientais e sociais. R. U. Ayres [8, 9], H. T. Odum [13-15], R. Georgescu [10-12], G. Wall [16, 25] e outros estenderam a aplicação da análise exergética a estas áreas respectivamente. A metodologia aplicada neste trabalho foi concentrada no processo de mineração econcentração de urânio desenvolvido no Complexo Industrial das Indústrias Nucleares do Brasil S.A (INB), Unidade de Poços de Caldas, MG. Para isto determinou-se os insumos, os produtos e os rejeitos envolvidos na mineração e concentração do urânio dividindo-se oprocesso em três blocos: Extração, Tratamento Físico e Tratamento Químico. Determinouse suas respectivas exergias químicas e, em seguida, calculou-se o grau cumulativo de perfeição da etapa de mineração de urânio até a produção de UF6. Neste trabalho verificou-se que o total de insumos exergéticos na etapa de tratamento químico foi cerca de 73,3%, ficando o restante (etapas de extração, tratamento físico,purificação e conversão do DUA em UF6) com 26,7%. Foram considerados apenas as perdas de energia elétrica, não se tendo dados sobre as perdas de U3O8 e dos demais insumos. Nas etapas de extração e tratamento físico do minério de urânio do Planalto de Poços de Caldas, MG, da quantidade total de insumos exergéticos, 92,3% refere-se ao explosivo nitroglicerina. Juntando os insumos dos principais constituintes do minério de urânio SiO2, Al2O3 e o K2O com a nitroglicerina e a energia elétrica, obtém-se 97,84% do total de insumos exergéticos consumidos nestas duas etapas. Na etapa de tratamento químico, do total de insumos exergéticos, 99,63% refere-se à água, devido a grande quantidade deste insumo utilizada em todo processo. A quantidade dos insumos tridecanol (modificante) e alamina-336 (extratante), em kg/kg U, utilizados na extração do molibdênio, podem parecer a princípio muito pequenas, no entanto, ressalta-se que os dados utilizados para a quantificação destes insumos foram tirados do trabalho de J. D. Neto [56]. Na etapa de rejeitos da mineração e concentração de urânio, do total de rejeitos quantificados, 91,72% refere-se ao querosene utilizado como diluente na etapa de extração do urânio e molibdênio no tratamento químico. Nas etapas de purificação e conversão do DUA em UF6 não foram quantificados os rejeitos, pois estes não foram abordados na dissertação de mestrado de C. V. G de Azevedo [21]. Os valores do grau cumulativo de perfeição da análise exergética da mineração e concentração de urânio do Planalto de Poços de Caldas, MG, até aqui estudados, foram baixíssimos, devido ao elevado investimento de insumos exergéticos nas etapas de extração, tratamento físico, tratamento químico, purificação e conversão do DUA em UF6. Com uma diminuição do o insumo exergético nitroglicerina em 10% e refazendo-se o cálculo do grau cumulativo de perfeição somente para etapa de extração do minério de urânio, o grau cumulativo de perfeição se torna cerca de 17 vezes maior que o grau cumulativo de perfeição da análise exergética da mineração e concentração de urânio do Planalto de Poços de Caldas, MG. Conclui-se que a redução deste insumo exergético implica em um substancial aumento do grau cumulativo de perfeição. No entanto, diminuindo o insumo exergético água em 10% e refazendo os mesmos cálculos. O grau cumulativo de perfeição para mineração e concentração de urânio passa a ser 1,17 vezes maior do que grau cumulativo de perfeição da análise exergética da mineração e concentração de urânio do Planalto de Poços de Caldas, MG. Com isto, a diminuição deste insumo exergético não implica no aumento do grau cumulativo de perfeição. O constituinte que está presente em maior quantidade no rejeito, em valores de exergia, é o querosene (91,72 %). O valor do grau cumulativo de perfeição das etapas iniciais do ciclo de combustível nuclear que vão desde a mineração até a concentração de urânio, não levou em consideração vários insumos, tanto energéticos como de materiais, das etapas de extração, tratamento físico e químico devido à dificuldade de obtenção de dados. Por isso, para obtenção destes dados, em alguns casos, foram utilizados dados de trabalhos não específicos da mineração e da usina de concentração de urânio estudada (Complexo Industrial da INB, Unidade de Poços de Caldas, MG). Houve grande dificuldade na obtenção de exergias químicas de algumas substâncias, que não estão disponíveis na literatura técnica. Por isso, optou-se, quando possível, por calculálas através de equações e das exergias químicas dos constituintes dessas substâncias. No caso específico do molibdato de cálcio, optou-se por não considerar sua exergia química, devido incerteza em estabelecer qual a espécie química de referência. |
| Abstract: | The exergy or energy availability of a thermodynamic system, in a given state, is defined as the maximum work that one can obtain by taken the system to its equilibrium state with the environment, in a reversible process. In a real process (irreversible), there is a loss of capability of the realization of work, which gives a measure of the irreversibility of theprocess. The concept of exergy, originated from the First and Second Laws of the Thermodynamic, was first introduced by G. J. Gouy and A. Z. Stodola which have quantified the useful work lost in a thermodynamic process. Z. Rant published a paper using the word exergy for the first time. In the 70s and 80s, J. Szargut, T. A. Brzustowski and P. J. Golem adopted the term exergy and applied exergetic analysis in several works.The exergetic analysis of a thermodynamic system consists, fundamentally, in the identification and quantification of the irreversibilities of the system, through the application of the input exergies and of the exit exergies (products and wastes) in the system and in the calculation of the system exergetic efficiency. The exergetic analysis of a system allows to express the energetic limitations of different processes, such as technological, economical, environmental and social. R. U. Ayres, H. T.Odum, R. Georgescu, G. Wall and others extended the application of the exergetic analysis to such areas respectively. |
| Subject: | Engenharia nuclear |
| language: | Português |
| Publisher: | Universidade Federal de Minas Gerais |
| Publisher Initials: | UFMG |
| Rights: | Acesso Aberto |
| URI: | http://hdl.handle.net/1843/BUBD-9BWK5E |
| Issue Date: | 15-Mar-2000 |
| Appears in Collections: | Dissertações de Mestrado |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| disserta__o_mestrado_final_atualizada_30jan12.pdf | 1 MB | Adobe PDF | View/Open |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.