Tokamak

Geração de Energia
Elétrica
Geração
Termoelétrica a Vapor
Unidades Nucleares
Joinville, 25 de Abril de 2012
Fernando B. Prioste
Escopo dos Tópicos Abordados
‹ Fissão
versus Fusão Nuclear;
‹ Tokamak:
– Controle magnético de plasma
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Fernando B. Prioste
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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Fernando B. Prioste
Fissão Nuclear
‹ 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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Fernando B. Prioste
Fissão Nuclear
‹ 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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Fernando B. Prioste
Fissão Nuclear
‹
Fissão nuclear:
‹
Reação em cadeia: U235 + n → fissão + 2 ou 3 n + 200 MeV
10 gerações ⇒ 2 = 1024 Fissões
10
80 gerações ⇒ 280 = 6 x1023 Fissões
Fernando B. Prioste
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Fusão Nuclear
‹ 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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Fernando B. Prioste
Fissão e Fusão Nuclear
‹ 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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Fernando B. Prioste
Fusão Nuclear
‹ Fusão
Nuclear
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Fernando B. Prioste
Fusão Nuclear
‹ 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.
‹ A massa do
Hélio é menor
que a soma das
massas dos
isótopos. Esta
pequena perda
de massa que é
usada em:
E = mc
2
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Fusão Nuclear
‹ 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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Fernando B. Prioste
Fusão Nuclear
‹ 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 suportar
elevadas temperaturas;
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Fusão Nuclear
‹ 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 aos
campos 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
‹ 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
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(íons de Helio), que permanecem contidos no campo magnético, auto
aquecendo o plasma.
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Fusão Nuclear
‹ Tokamak:
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Fernando B. Prioste
Fusão Nuclear
‹ Tokamak:
Desligado e em operação
‹ Tokamak
em
operação:
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Fusão Nuclear
‹ Tokamak:
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Fusão Nuclear
‹ 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
‹ 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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Geração Termoelétrica a
Vapor
‹Configuração
tandem-compound com
reaquecimento simples e triplo estágio de baixa
pressão (unidades termonucleares) :
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Geração Termoelétrica a
Vapor
‹Diagrama
de blocos correspondente ao modelo
matemático geral das turbinas térmicas a vapor
+
K1
ΔPGV
K3
K2
K4
+
+
+
+
K5
1
1 + sT3
1
1 + sT2
1
1 + sT1
+
+
ΔPm1
+
K7
1
1 + sT4
K6
+
+
K8
+
+
Fernando B. Prioste
ΔPm2
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