Usinas Não Renováveis: Termoelétrica e Nuclear

# Usinas Não Renováveis: Termoelétrica e Nuclear [Section 4] Você já conhece como as usinas hidrelétricas aproveitam a força da água e como os aerogeradores capturam a energia do vento. Todas essas usinas têm algo em comum: utilizam recursos naturais que se renovam ao longo do tempo. Mas como funciona a geração de energia quando o combustível é extraído da Terra e, uma vez consumido, não pode ser reposto? É justamente esse o caso das usinas termoelétricas e nucleares, os dois tipos de usinas não renováveis que você vai estudar agora. ## Usinas Termoelétricas: calor que vira eletricidade Uma usina termoelétrica é uma instalação industrial que produz eletricidade a partir da queima de combustíveis fósseis. O princípio básico é simples: ao queimar o combustível, a usina gera calor intenso, que aquece uma caldeira cheia de água. Essa água se transforma em vapor com alta pressão, e o vapor é direcionado para uma turbina (um equipamento com pás que gira rapidamente quando recebe o fluxo de vapor). A turbina está conectada a um gerador, que converte o movimento de rotação em corrente elétrica. Depois de acionar a turbina, o vapor é resfriado em um condensador, transformando-se novamente em água para reiniciar o ciclo. Os combustíveis mais usados nesse processo são o **carvão mineral**, o **gás natural** e o **óleo combustível**. Todos são classificados como **combustíveis fósseis** porque se formaram ao longo de milhões de anos a partir de restos de organismos vivos soterrados e submetidos a alta pressão e temperatura. Esse processo de formação acontece em escalas de tempo muito maiores do que a velocidade com que os consumimos, o que os torna recursos não renováveis. Quando o estoque disponível se esgota, não há como repô-lo em tempo humano. No Brasil, as usinas termoelétricas estão distribuídas por várias regiões do país e funcionam principalmente como reserva para momentos em que as hidrelétricas não conseguem atender à demanda. Nos períodos de seca prolongada, quando os reservatórios ficam com pouca água, as termelétricas são acionadas para complementar a geração. Por isso, sua participação na matriz energética nacional varia ao longo do ano, aumentando justamente quando as chuvas escasseiam. **Imagens:** - https://storage.googleapis.com/teachy-classroom-contents/images/imported/6cb72b6f9019cac60d36b60aee1b6c52017acafa7e58e66e8e92dc04dab027eb.jpg — Inauguração da Usina Termelétrica Arembepe, em Camaçari (BA), com autoridades ao fundo das estruturas industriais da planta. **Para plotar:** | tag | descrição | |-----|-----------| | diagrama-termoeletrica | Diagrama esquemático em sequência linear com setas: Combustível fóssil → Câmara de combustão (chama) → Caldeira (água → vapor) → Turbina → Gerador → Energia elétrica. Rótulos em português, fundo branco, estilo técnico educacional. | ## Usinas Nucleares: fissão no lugar da chama Se você olhar de longe uma usina nuclear, perceberá que ela tem muito em comum com uma usina termoelétrica: há vapor, turbinas, geradores e condensadores. A grande diferença está em como o calor é produzido. Em vez de queimar um combustível, a usina nuclear usa um processo chamado **fissão nuclear** para gerar energia. A fissão nuclear ocorre quando um átomo de urânio é atingido por um nêutron em alta velocidade. Ao ser atingido, o núcleo do átomo fica instável e se divide em dois fragmentos menores, liberando uma enorme quantidade de energia em forma de calor, além de novos nêutrons. Esses nêutrons recém-liberados atingem outros átomos de urânio, que também se dividem, e assim por diante. Esse processo contínuo é chamado de **reação em cadeia**. Dentro do **reator nuclear**, a reação em cadeia é cuidadosamente controlada para que o calor seja liberado de forma gradual e segura. O combustível usado nas usinas nucleares é o **urânio enriquecido**. O urânio encontrado na natureza contém apenas uma pequena fração do tipo que reage com facilidade e sustenta a reação em cadeia. Por isso, o minério passa por um processo de **enriquecimento**, que aumenta a concentração desse tipo reativo, tornando o urânio adequado para uso no reator. Assim como os combustíveis fósseis, o urânio é um recurso não renovável extraído da Terra. O calor gerado pela fissão aquece a água de um circuito fechado chamado **sistema primário**, que opera sob altíssima pressão. Essa água transfere o calor para a água de um segundo circuito (o **sistema secundário**) por meio de um trocador de calor. A água do sistema secundário se transforma em vapor e aciona a turbina, sem nunca entrar em contato com a água do sistema primário. Essa separação é um mecanismo de segurança importante: garante que a radioatividade permaneça confinada dentro do reator e não se espalhe para outras partes da usina. **Imagens:** - https://storage.googleapis.com/teachy-classroom-contents/images-v2/0db1cec2-cdfd-4371-a293-db1e5f8664ee/generated/v2_0_10.jpg — Torres de resfriamento de uma usina nuclear em operação, com vapor d'água saindo dos cumes e vegetação ao redor. **Para gerar:** | tag | descrição | |-----|-----------| | fissao-nuclear-diagrama | Ilustração educacional mostrando a fissão nuclear: um nêutron atingindo um núcleo de urânio, que se divide em dois fragmentos menores liberando energia e dois novos nêutrons, que atingem outros núcleos, representando a reação em cadeia. Estilo diagrama científico para 8º ano, rótulos em português. | [chapter-callout-label: Sabia?] Uma única pastilha de combustível nuclear (do tamanho de uma borracha de lápis) contém energia equivalente a cerca de uma tonelada de carvão mineral. Isso se deve à enorme quantidade de energia liberada durante a fissão do urânio em comparação com a energia liberada pela queima de combustíveis fósseis. ## As usinas nucleares do Brasil No Brasil, as usinas nucleares ficam em Angra dos Reis, no litoral do Rio de Janeiro, e são conhecidas coletivamente como **Central Nuclear Almirante Álvaro Alberto**. Angra 1 entrou em operação em 1985 e Angra 2 em 2001; uma terceira usina (Angra 3) está em construção, sem data de conclusão definida. Juntas, as usinas nucleares respondem por cerca de 2 a 3% da eletricidade produzida no Brasil, uma parcela pequena mas constante, pois operam de forma contínua durante o ano inteiro, independentemente das chuvas. [chapter-callout-label: Aqui perto] A localização de Angra dos Reis não é por acaso: a usina foi instalada entre as duas maiores cidades consumidoras de energia elétrica do Brasil, Rio de Janeiro e São Paulo. Além disso, o litoral fornece água do mar para o sistema de resfriamento da usina, recurso essencial para o funcionamento do condensador. [chapter-callout-label: Comparando...] Tanto as usinas termoelétricas quanto as nucleares convertem calor em eletricidade por meio de turbinas a vapor, e essa é a semelhança fundamental entre elas. A diferença essencial está na **origem do calor**: nas termoelétricas, o calor vem da combustão de combustíveis fósseis (carvão, gás natural ou óleo); nas nucleares, o calor vem da fissão do urânio enriquecido dentro do reator. Em ambos os casos, o combustível é não renovável e, uma vez consumido, não pode ser reposto. | Aspecto | Termoelétrica | Nuclear | |---------|---------------|---------| | Fonte de calor | Queima de combustível fóssil | Fissão nuclear do urânio | | Combustíveis usados | Carvão, gás natural, óleo | Urânio enriquecido | | Usa turbina a vapor? | Sim | Sim | | Emissão de vapor visível | Sim | Sim (torres de resfriamento) | | Renovável? | Não | Não | [INTERACTIVE: A1 | mapa mental | Explore o mapa mental interativo sobre o funcionamento das usinas termoelétricas e nucleares na plataforma Teachy] [Section 5] Agora que você conhece o funcionamento dos dois tipos de usinas, é hora de consolidar esse conhecimento com alguns exercícios. Vamos começar pelos conceitos mais diretos e avançar gradualmente. **Pratique** [P2] Tanto as usinas termoelétricas quanto as nucleares convertem calor em energia elétrica usando turbinas a vapor. Assinale a alternativa que descreve corretamente a **origem do calor** em cada tipo de usina. (A) Nas duas usinas, o calor vem da queima de combustíveis fósseis. (B) Na termelétrica, o calor vem da queima de combustíveis; na nuclear, vem da fissão de átomos de urânio. (C) Na termelétrica, o calor vem da fissão nuclear; na nuclear, vem da queima de carvão. (D) Nas duas usinas, o calor é produzido pela fissão de átomos pesados. **Gabarito:** B --- [P3] Leia o trecho a seguir: *"A usina nuclear de Angra dos Reis utiliza urânio como combustível. Dentro do reator, os átomos de urânio se dividem em partes menores, liberando uma enorme quantidade de energia na forma de calor. Esse calor aquece a água, que se transforma em vapor e aciona turbinas conectadas a geradores elétricos."* Com base no trecho e no que você estudou, explique qual etapa do processo de uma usina nuclear é **diferente** em relação a uma termelétrica convencional, e qual etapa é **igual** nas duas. _Dica: Pense em que momento cada usina produz calor e o que esse calor faz depois disso._ [LINES: 5] --- [P4] O diagrama abaixo representa, de forma simplificada, o funcionamento de uma usina termelétrica: **Para plotar:** | tag | descrição | |-----|-----------| | diagrama-termoeletrica-exercicio | Diagrama esquemático com setas mostrando a sequência: Combustível → Câmara de combustão (chama) → Caldeira (água → vapor) → Turbina → Gerador → Energia elétrica. Rótulos em português, fundo branco, estilo técnico educacional para questão de prática estruturada. | Usando o diagrama como referência, indique qual seria a **única etapa que mudaria** se este fosse o diagrama de uma usina nuclear, e explique o que ocorre nessa etapa na usina nuclear. _Dica: Observe de onde vem o calor que transforma a água em vapor._ [LINES: 4] [Section 6] ## Exercícios [I1] *No Brasil, as usinas termelétricas são acionadas principalmente nos períodos em que os reservatórios das hidrelétricas estão com baixo nível de água. Nesses momentos, as termelétricas passam a responder por uma parcela maior da matriz energética nacional. O combustível mais usado nessas usinas é o gás natural, seguido do óleo combustível e do carvão mineral. Já a energia nuclear, gerada pelas usinas de Angra 1 e Angra 2, representa cerca de 3% da eletricidade produzida no país, operando de forma contínua ao longo do ano.* Considerando as características operacionais das usinas termelétricas e nucleares descritas no texto, é correto afirmar que: (A) As usinas nucleares e termelétricas utilizam o mesmo combustível, diferindo apenas na eficiência da conversão de calor em eletricidade. (B) As usinas termelétricas brasileiras operam de forma contínua, enquanto as nucleares são acionadas apenas em períodos de escassez hídrica. (C) Tanto as usinas termelétricas quanto as nucleares geram vapor para acionar turbinas, mas a fonte de calor em cada uma é distinta. (D) O gás natural é utilizado tanto em usinas termelétricas quanto em reatores nucleares para produzir energia no Brasil. (E) As usinas nucleares substituem completamente as termelétricas nos períodos de seca, pois possuem maior capacidade de geração. --- [I2] *Uma estudante do 8º ano leu em uma notícia que o Brasil aumentou o uso de usinas termelétricas a carvão mineral durante uma crise energética. Ela ficou com dúvida: "Mas o carvão não é muito antigo? Como ele ainda é usado para gerar eletricidade hoje em dia?"* O carvão mineral é classificado como combustível fóssil. Com base nessa classificação e no funcionamento das usinas termoelétricas, explique: a) O que torna o carvão mineral um combustível fóssil. b) Como esse combustível é empregado no processo de geração de eletricidade em uma usina termelétrica. [LINES: 6] --- [I4] *O Brasil possui reservas de carvão mineral, principalmente nos estados do Sul do país. Esse mineral é um dos combustíveis utilizados em usinas termelétricas para a geração de eletricidade. Ao avaliar a viabilidade de ampliar esse tipo de geração, especialistas analisam as características operacionais do combustível: sua disponibilidade como recurso, sua capacidade de fornecer energia de forma contínua e suas limitações como fonte não renovável.* Considerando as características operacionais e o tipo de combustível empregado nas usinas termelétricas a carvão: a) Identifique o tipo de combustível utilizado e explique por que ele é classificado como não renovável. b) Aponte um aspecto que torna esse combustível operacionalmente vantajoso e um aspecto que limita seu uso como fonte de energia a longo prazo. [LINES: 6] [INTERACTIVE: D | responda na plataforma | Escaneie para responder estes exercícios na Teachy e receber correção automática, inclusive para as questões dissertativas]