Geração de EnergiaElétrica

Joinville, 25 de Abril de 2012

Geração Termoelétrica a VaporUnidades Nucleares

Fernando B. Prioste

Escopo dos Tópicos AbordadosFissão versus Fusão Nuclear;Tokamak:– Controle magnético de plasma

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Fissão e Fusão Nuclear

Fissão: é a divisão (quebra) de um átomo em uma ou mais partes menores;– Uso para geração de energia elétrica;

Fusão: é a “união” (fusão) de dois ou mais átomos menores resultando em um átomo maior;– Uso militar (bombas);– Perspectiva de geração de energia elétrica

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Fissão Nuclear

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Fissão:Condições para ocorrer: existência de uma massa crítica de substância e bombardeamento de neutrons;– Necessidade de pouca energia para a quebra (fissão);– Não ocorre naturalmente na natureza;

Produz partículas radioativas;Energia gerada: um milhão de vezes maior que as geradas em reações químicas convencionais.

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Fissão Nuclear

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Fissão: é a divisão (quebra) de um átomo instável em uma ou mais partes menores através, geralmente, do bombardeamento de nêutrons;

Resultado:Liberação de energia devido a

quebra (interação das forças fortes);Liberação de radiação;Reação em cadeia controlada.Combustíveis nucleares mais

comuns: 235U e 239Pu. Nem todos os combustíveis nucleares são usados em reações em cadeia.

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Fissão Nuclear

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Fissão nuclear:Reação em cadeia: U235 + n → fissão + 2 ou 3 n + 200 MeV

10

80 23

10 2 102480 2 6 10

gerações Fissõesgerações x Fissões

⇒ =

⇒ =Fernando B. Prioste

Fusão Nuclear

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Fusão: é a “união” (fusão) de dois ou mais átomos menores resultando em um átomo maior;Condições para ocorrer: existência de altíssimas temperaturas e energia:– Energia para aproximar dois ou mais prótons de forma que a força

nuclear forte sobreponha a força de repulsão (eletrostática) ;

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Fissão e Fusão Nuclear

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Fusão - Condições para ocorrer:– Energia para aproximar dois ou mais prótons de forma que a força

nuclear forte sobreponha a força de repulsão (eletrostática) ;– Normalmente usa-se a energia fornecida pela fissão para iniciar o

processo de fusão;– Ocorre naturalmente em estrelas como o Sol;

Produz poucas partículas radioativas;Energia gerada: três a quatros vezes superior um às geradas em reações de fissão.

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Fusão Nuclear

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Fusão Nuclear

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Fusão Nuclear

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Fusão Nuclear: a mais eficiente reação de fusão em laboratório é a dos isótopos do Hidrogênio (Deutério e Trítio), que produz a mais elevada relação de energia com menor temperatura e forma o Hélio + n + Energia. Além de grande probabilidade de ocorrência.

2E mc=

A massa do Hélio é menor que a soma das massas dos isótopos. Esta pequena perda de massa que é usada em:

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Fusão Nuclear

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Fusão Nuclear: a energia liberada é dada por:

Onde mr é a massa do núcleo antes da reação e mp, a massa do núcleo após a reação.

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Fusão Nuclear

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Fusão Nuclear no Sol: – Temperaturas de 15.000.000° Celsius fazem os átomos de Hidrogênio

se agitarem e colidirem a elevadas velocidades, transpassando a energia de repulsão eletrostática (barreira de Coulomb), originando a fusão;

Fusão Nuclear na Terra:– Ocorrem em temperaturas de 150.000.000° Celsius. A partir de 10.000°

Celsius, os elétrons se separam do núcleo e criam um gás ionizado(eletricamente carregado) chamado de plasma (quarto estádo da matéria),;

– O Plasma é o meio que possibilita a criação de um ambiente onde a fusão pode ocorrer;

– Necessidade de um dispositivo capaz de conter o plasma e suportarelevadas temperaturas;

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Fusão Nuclear

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Dispositivo onde ocorre a fusão:– Tokamak, acrônimo em russo toroidal'naya kamera

s magnitnymi katushkami ou câmara toroidal com bobinas magnéticas;

– Basicamente, o Tokamak é um potente eletroimã que produz um campo magnético toroidal para confinamento de plasma;

– A Fusão entre o deutério com o trítio (D-T) produz um núcleo de Helio , nêutrons e energia;

– O núcleo de Helio possui uma carga elétrica que estará sujeita aoscampos magnéticos do TOKAMAK, e permanece confinado no plasma;

– O confinamento do plasma em um espaço limitado, impede que o plasma toque nas paredes internas do reator e o danifique. Existe ainda um isolamento a vácuo.

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Fusão Nuclear

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Controle magnético do plasma noTokamak:– Cerca de 80% (14,1 MeV) da energia produzida na fusão está associada

aos nêutrons produzidos na reação de fusão.

– Os nêutrons, devido à falta de carga, não são afetados pelos campos magnéticos do Tokamak, e portanto, não ficam confinados;

– A energia cinética dos nêutrons é a responsável pela produção de eletricidade, através do calor e para a produção de trítio, através do Lítio (produção do próprio combustível):

– A energia dos nêutrons é capturada por paredes especiais (blanket);– Os outros 20% de energia de fusão são liberados em partículas alfa

(íons de Helio), que permanecem contidos no campo magnético, auto aquecendo o plasma. Fernando B. Prioste

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Tokamak:

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Fusão Nuclear

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Tokamak: Desligado e em operação

Tokamak emoperação:

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Tokamak:

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Fusão Nuclear

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Produção de calor no Tokamak:– Campo magnético alternado gera uma corrente de alta intensidade por

indução e a colisão de elétrons e íons produz calor;– Outras formas de aquecimento externo são utilizadas:

» Injeção de feixes de nêutrons acelerados, conforme a figura:

Uso de ondas eletromagnéticas de alta frequência (processo similar ao forno de microondas);

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Fusão Nuclear

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Aspectos Históricos:Estágio Atual: 6,5 min de produção de energia.

Para satisfazer as condições da fusão termonuclear controlada usando como combustível a mistura deutério-trício, a temperatura do plasma T deve estar na faixa de 1~3×108 K, o tempo de confinamento de energia t E deve ser de aproximadamente 1~3 s e a densidade n deve valer aproximadamente 1~3×1020 partículas/m3. Para que um reator entre em funcionamento, métodos de aquecimento adicional se fazem necessários para que se obtenha um temperatura inicial de aproximadamente 108 K. Depois que a mistura deutério-trício entra em ignição, o plasma é aquecido pelas partículas alfa liberadas nas reações de fusão e a fonte de aquecimento auxiliar pode então ser desligada. A taxa com que as reações de fusão ocorrem aumenta com o quadrado da densidade de plasma. Entretanto, a densidade não pode aumentar acima de determinados níveis sem que se prejudique a estabilidade do plasma. Por outro lado, o tempo de confinamento de energia aumenta com a densidade, com o grau de estabilidade e com o volume do plasma. Equacionando estes fatores, é possível determinar o tamanho mínimo de um reator, que depende da configuração magnética adotada.

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Configuração tandem-compound com reaquecimento simples e triplo estágio de baixa pressão (unidades termonucleares) :

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Diagrama de blocos correspondente ao modelo matemático geral das turbinas térmicas a vapor

Geração Termoelétrica a Vapor

K2

++ +

++

+

211sT+11

1sT+ 31

1sT+ 41

1sT+

K4 K6 K8

K1 K3 K5 K7

++

++

++

PGVΔ

Pm1Δ

Pm2Δ

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