Geração de Energia Elétrica

Transcrição

1 Geração de Energia Elétrica Geração Termoelétrica a Vapor Unidades Nucleares Joinville, 25 de Abril de 2012

2 Escopo dos Tópicos Abordados Fissão versus Fusão Nuclear; Tokamak: Controle magnético de plasma 2

3 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 3

4 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. 4

5 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. 5

6 Fissão Nuclear Fissão nuclear: Reação em cadeia: U235 n fissão 2 ou 3 n 200 MeV gerações = Fissões gerações = x Fissões 6

7 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) ; 7

8 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. 8

9 Fusão Nuclear 9

10 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 10

11 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. 11

12 Fusão Nuclear no Sol: Temperaturas de 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 Celsius. A partir de 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; 12

13 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. 13

14 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 14 aquecendo o plasma.

15 Tokamak: 15

16 Tokamak: Desligado e em operação Tokamak em operação: 16

17 Tokamak: 17

18 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); 18

19 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~ K, o tempo de confinamento de energia t E deve ser de aproximadamente 1~3 s e a densidade n deve valer aproximadamente 1~ partículas/m 3. Para que um reator entre em funcionamento, métodos de aquecimento adicional se fazem necessários para que se obtenha um temperatura inicial de aproximadamente 10 8 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. 19

20 Geração Termoelétrica a Vapor Configuração tandem-compound com reaquecimento simples e triplo estágio de baixa pressão (unidades termonucleares) : 20

21 Geração Termoelétrica a Vapor Diagrama de blocos correspondente ao modelo matemático geral das turbinas térmicas a vapor ΔP m1 K 1 K 3 K 5 K 7 ΔP GV st1 1 st2 1 st3 1 st4 K 2 K 4 K 6 K 8 ΔP m2 21