VIABILIDADE DO USO DE BOMBAS ELETROMAGNÉTICAS DE CORRENTE CONTÍNUA NO CONTROLE DE VAZÃO DE METAIS LÍQUIDOS Eduardo M. Borges, Francisco A. Braz Filho e Lamartine N. F. Guimarães Instituto de Estudos Avançados - São José dos Campos - SP Resumo Bombas eletromagnéticas utilizam o princípio de Faraday, no qual a interação de corrente elétrica e campo magnético gera a força magnetomotriz que controla o escoamento de metais líquidos. Neste trabalho apresenta-se a comparação de resultados teóricos e dados experimentais de ensaios das duas bombas eletromagnéticas de corrente, com magneto tipo C e com imãs permanentes de Samário-Cobalto, desenvolvidas no Instituto de Estudos Avançados - IEAv, operando em circuitos a Mercúrio, validando o esquema de análise do programa computacional BEMC-1, e usa-se o BEMC-1 para avaliar a possibilidade da utilização de bombas eletromagnéticas para o controle de vazão dos metais líquidos de interesse em reatores rápidos para aplicação em terra e espacial. 20 INTRODUÇÃO 16 circ 3.8 m teórica 16 3 blocos 4 blocos 8 I= 400 A 4 0 I= 200 A 0 0 200 400 corrente principal ( A ) 600 800 1 2 3 4 6 CURVAS DE DESEMPENHO Os desempenhos teóricos das bombas EM tipo C e de imãs apresentados nas Figuras 3 e 4, foram obtidos com o BEMC-1, com base na geometria do canal das bombas, ou seja, altura do canal (a) de 10 mm, largura do canal (b) de 30 mm e o comprimento útil (c) de 70 mm, levantando-se as curvas dinâmicas das bombas EM (para possíveis conjuntos de valores de campo magnético e corrente principal) e as curvas de perda de carga do circuito dinâmico (com diâmetro interno de 12,2 mm e comprimento equivalente de 3,8 m), para os metais líquidos de interesse. Nota-se que as curvas de operação da bomba EM de imãs de Samário-Cobalto são paralelas, pois o campo magnético é constante e igual a 0,44 Wb/m2. 5.0E+4 6.0E+4 Mercúrio circ 3.8 m Sódio 4.0E+4 Lítio 700 4.0 e-7 462 2.9 e-4 I= 800 A, B= 0.9 Wb pressão dinâmica (N/m2 ) pressão dinâmica (N/m2 ) I= 800 A, B= 0.9 Wb 3.0E+4 2.0E+4 I= 600 A, B= 0.75 Wb 1.0E+4 I= 400 A, B= 0.63 Wb 4.0E+4 I= 600 A, B= 0.75 Wb 2.0E+4 I= 400 A, B= 0.63 Wb circ 3.8 m I= 200 A, B= 0.46 Wb I= 200 A, B= 0.46 Wb 0.0E+0 0.0E+0 0 4 8 12 16 vazão (l/min) 20 0 4 8 12 vazão (l/min) 16 20 Figura 3. Curvas da bomba EM - tipo C operando com Mercúrio e Sódio 3.0E+4 2.5E+4 COMPARAÇÃO TEÓRICA E EXPERIMENTAL Mercúrio Lítio I= 800 A 2.0E+4 pressão dinâmica (N/m2 ) 6 I= 800 A circ 3.8 m pressão dinâmica (N/m2 ) As Figuras 1 e 2 apresentam os dados experimentais de pressão estática e de vazão das duas bombas EM desenvolvida, operando com Mercúrio nos circuitos estático e dinâmico. A comparação destes dados a resultados teóricos obtidos com o programa BEMC-1 apresentam boa concordância, validando o esquema de simulação. 2.0E+4 5 Vazão (l/min) Figura 2. Curvas de pressão estática e de vazão da bomba EM de imãs operando com Mercúrio Tabela 1. Propriedades dos metais líquidos simulados pelo BEMC-1 Sódio 500 2.0 e-7 830 2.4 e-4 8 I= 500 A 4 Este trabalho utiliza o programa computacional BEMC-1 (desenvolvido para projetar e avaliar o desempenho de bombas eletromagnéticas de corrente contínua), compara resultados teóricos e dados experimentais da bomba EM, operando com Mercúrio, e avalia a possibilidade da aplicação de bombas eletromagnéticas no controle do escoamento de metais líquidos de interesse em reatores rápidos. A Tabela 1 apresenta as propriedades dos metais líquidos de interesse para reatores rápidos, simulados nesta avaliação. Mercúrio 20 9.3 e-7 13400 1.5 e-3 12 I= 300 A No mundo há vários reatores rápidos em desenvolvimento na França, Japão e Índia, que utilizam o Sódio líquido como fluido de trabalho, com controle de escoamento por bombas centrífugas. No reator rápido experimental norte americano EBR-II o escoamento de Sódio líquido do circuito secundário é controlado por bombas eletromagnéticas de corrente contínua. Há outros projetos norte americanos de reatores refrigerados a Sódio, como o IFR e o PRISM, que utilizam conceitos avançados de segurança inerente e passiva. No PRISM prevê-se a utilização de bombas eletromagnéticas de corrente alternada no circuito primário de refrigeração. No reator rápido espacial norte americano SP-100 o escoamento de Lítio líquido nos circuitos de refrigeração é controlado por bombas eletromagnéticas termoelétricas (EMTE). Propriedade \ metal Temperatura (oC) Resistividade elétrica (ohm.m) Massa específica (Kg/m3) Viscosidade dinâmica (N.s/m2) I= 600 A Pressão (cm Hg) pressão (cm Hg) O desenvolvimento de bombas eletromagnéticas (EM) iniciou-se no Instituto de Estudos Avançados – IEAv em 1988, no âmbito do Projeto de Reatores Espaciais – RESPA, com a implantação de um laboratório para manuseio de Mercúrio (o único metal líquido a temperatura ambiente), selecionado como fluido de trabalho a ser utilizado nas experiências. Projetou-se, montou-se e ensaiaram-se duas bombas eletromagnéticas de corrente contínua, uma com magneto tipo C e outra com imãs permanentes de Samário-Cobalto (para a geração de campo magnético), ambas tiveram desempenho satisfatório no controle do escoamento de Mercúrio líquido, nos circuitos experimentais desenvolvidos. Bombas eletromagnéticas utilizam o princípio de Faraday, no qual a interação de corrente elétrica e campo magnético geram a força magnetomotriz, que controla o escoamento do fluido. As bombas eletromagnéticas não têm partes móveis, são completamente seladas, apresentam alta confiabilidade e permitem a utilização de fluido radioativo à alta temperatura. Estas características as tornam interessantes para utilização no controle de vazão de metais líquido dos circuitos de refrigeração de reatores nucleares rápidos. 12 5 blocos I= 600 A 1.5E+4 1.0E+4 I= 400 A 2.0E+4 I= 600 A I= 400 A 1.0E+4 600 A experimental experimental 5.0E+3 I= 200 A I= 200 A circ 3.8 m 400 A vazão (l/ min) pressão estática (N/m2 ) 600 A 5 1.6E+4 400 A 1.2E+4 8.0E+3 3 1 1 2 3 corrente de campo (A) 4 5 8 12 vazão (l/min) 16 20 0 4 8 12 vazão (l/min) 16 20 CONCLUSÃO 2 0.0E+0 0.0E+0 4 Figura 4. Curvas da bomba EM de imã operando com Mercúrio e Lítio 200 A 200 A 4.0E+3 0.0E+0 0 4 2 4 6 corrente de campo (A) 8 10 Figura 1. Curvas de pressão estática e de vazão da bomba EM tipo C operando com Mercúrio Para a avaliação de desempenho das bombas EM operando com os metais líquidos de interesse pode-se obter os pontos de operação do sistema bomba-circuito, definidos pela interseção das curvas dinâmicas e de perda de carga de cada fluido. Os resultados teóricos, obtidos com o BEMC-1, mostraram a viabilidade da utilização de bombas eletromagnéticas para o controle de escoamento de metais líquidos, considerados de interesse para remoção de calor, em reatores nucleares rápidos para aplicação em terra e espacial.