13/02/2006

A QUESTÃO ENERGÉTICA E A FUSÃO NUCLEAR CONTROLADA

A QUESTÃO ENERGA QUESTÃO ENERGÉÉTICA E A FUSÃO NUCLEAR TICA E A FUSÃO NUCLEAR CONTROLADACONTROLADA

Ricardo M.O. Galvão

CENTRO BRASILEIRO DE PESQUISAS FÍSICAS

CBPF/MCT

13/02/2006

“The Get-Ready Men”Technology Review 108, 72 (2005)

J. H. Kunstler, The Long Emergency: Surviving the Converge Catastrophes of the Twenty-First Century(Atlantic Monthly Press, 2005)

• Quando as reservas de petróleo secarem, todas as apostas são contra o futuro da humanidade.

• As nacões pobres não se desenvolverão, mas serão exceções face o caos e dificuldades que se estabelecerão no resto do mundo.

•Fontes alternativas de energia são uma miragem.

The Technology Review:

Naturalmente Kustler poderia estar correto; e dado nosso comportamento nos últimos cem anos, pode haver uma satisfacão peversa em concordar com suas conclusões sobre o futuro da humanidade.

No entanto, o cenário de destruicão previsto por ele supõe flexibilidade e criatividade muito mais limitadas do que a História comprova que a humanidade possui.

13/02/2006

Energia: consumo, disponibilidade e vetores energéticos:

Questões quase sempre mal compreendidas pela população leigae muitas vezes pelos responsáveis oficiais pelo estabelecimento de políticas energéticas

Desenvolvimento espetacular da humanidade no Século 20 foi construído com base na disponibilidade de petróleo abundante e barato!

Curva de Hubbert

ATUAL

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Mínimo para sobrevivência vegetativa: ≈150 W/habitante

Potência média consumida no mundo : ≈2100 W/capita

Sociedade pouco industrializada (India): ≈420 W/capita

Estados Unidos: ≈13000 W/capita

Sociedade de pais emergente (Brasil): ≈1700 W/capita

Portugal: ≈ 4000 W/capita

NECESSIDADE ENERGÉTICA MUNDIAL

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ENERGIA E QUALIDADE DE VIDA

BRASIL

HDI: Expectativa de vida (mínimo 15 e máximo 85 anos)

Realização educacional [escolaridade adulta (2/3) + escolaridade média (1/3)]

Produto doméstico bruto per capita (em PPP US$ - Purchasing Power Parity)

A.D. Pasternak

UCRL ID 14773

(Livermore)

José Goldemberg; Science 269, 1058 (1995)

1993

•75% da população que vive em países menos desenvolvidos (LDC), consome menos que 30% da energia comercial mundial.

•25% da população que vive em países industrializados é responsável por cerca de 70% do consumo de energia.

•Apesar do enorme progresso feito em todas as áreas nas últimas décadas, permanece o cenário de que, nos LDC, a expectativa de vida é30% mais curta, a mortalidade infantil é cerca de 60 mortes por 1000 nascimentos, o analfabetismo é 40% mais alto, etc.

•Em 2010, o consumo de energia nos LDC ultrapassará o dos países desenvolvidos.

13/02/2006

DiDióóxido de carbono xido de carbono e metanoe metano

aumentaram aumentaram significativamente significativamente desde a revoludesde a revoluçção ão

industrialindustrial

CO2 variabilidade espacial e temporal CH4 variabilidade espacial e temporal

CO2: aumento de 33% CH4: aumento de 100%

13/02/2006

CO2 e CH4nos últimos 500.000 anos

e nos próximos 100

MODELAMENTO DO EFEITO ESTUFA:Se a emissão de carbono continuar nos níveis atuais, a concentração de CO2 dobraria em cem anos, podendo causar séria disruptura em nosso sistema climático.

Persistência CO2:séculos !

13/02/2006

ENERGIA E QUESTÃO AMBIENTAL

PROTOCOLO DE KYOTONo período de 2008 a 2012 reduzir a taxa de emissão de gases do efeito estufa em 5% com respeito aos níveis de 1990.

(~550ppm)

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SITUAÇÃO MUNDIAL - 1

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SITUAÇÃO MUNDIAL - 2

RESUMO: 2003 2050-2100

População 6,3×106 10×106

Potência consumida 14 TW 30 TW ≈ 880 quad/ano

Potência/habitante 2,2 kW/hab 3 kW/hab

(1 quad = 1015Btu ≈ 1018 J ≈ 2,4×107 tep)

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SITUAÇÃO BRASILEIRA

PAÍS IMPORTADOR DE ENERGIA !100 Consumidor mundial (2,2%)

160 Produtor Mundial (1,5%)

Potência elétrica total instalada(2004) ≈ 90,7 GW

(69 Hidro; 2 nuclear; 3.2 solar, biomassa....,

7,6 térmica convencional)

Oferta Interna de Energia (2004) ≈ 213,4×106 tep

Provida pela industria nacional (2004) ≈ 87%

(somente 54% no final da década de 70)

(petróleo 79: 85%; 04: 7,8%)

Capítulo II

Do Conselho Nacional de Política Energética

Art. 2º Fica criado o Conselho Nacional de Política Energética - CNPE, vinculado à Presidência da Repúblicae presidido pelo Ministro de Estado de Minas e Energia, com a atribuição de propor ao Presidente daRepública políticas nacionais e medidas específicas destinadas a:

I - promover o aproveitamento racional dos recursos energéticos do País, em conformidade com os princípiosenumerados no capítulo anterior e com o disposto na legislação aplicável;

II - assegurar, em função das características regionais, o suprimento de insumos energéticos às áreas maisremotas ou de difícil acesso do País, submetendo as medidas específicas ao Congresso Nacional, quandoimplicarem criação de subsídios;

III - rever periodicamente as matrizes energéticas aplicadas às diversas regiões do País, considerando as fontes convencionais e alternativas e as tecnologias disponíveis;

IV - estabelecer diretrizes para programas específicos, como os de uso do gás natural, do carvão, da energiatermonuclear, dos biocombustíveis, da energia solar, da energia eólica e da energia proveniente de outrasfontes alternativas; (Alterado pela L-011.097-2005)

V - estabelecer diretrizes para a importação e exportação, de maneira a atender às necessidades de consumointerno de petróleo e seus derivados, gás natural e condensado, e assegurar o adequado funcionamento do Sistema Nacional de Estoques de Combustíveis e o cumprimento do Plano Anual de Estoques Estratégicos de Combustíveis, de que trata o Art. 4º da Lei nº 8.176, de 8 de fevereiro de 1991.

VI - sugerir a adoção de medidas necessárias para garantir o atendimento à demanda nacional de energiaelétrica, considerando o planejamento de longo, médio e curto prazos, podendo indicar empreendimentos quedevam ter prioridade de licitação e implantação, tendo em vista seu caráter estratégico e de interesse público, de forma que tais projetos venham assegurar a otimização do binômio modicidade tarifária e confiabilidade do Sistema Elétrico. (Redação dada pela L-010.848-2004)

13/02/2006

FONTES DE ENERGIA

POSSIBILIDADES BÁSICAS BASTANTE LIMITADAS:

LEI BÁSICA DA NATUREZA:

Energia, uma vez usada, não é mais recuperável; portanto, o termo

“´FONTES RENOVÁVEIS DE ENERGIA”

é um tanto enganador

RESÍDUOS FÓSSEIS E ISÓTOPOS NUCLEARES ARMAZENADOS NA TERRA

MARLIM 1

FLUXO DE RADIAÇÃO SOLAR

13/02/2006

FONTES RENOVÁVEIS - SOLAR

FLUXO MÉDIO DA ENERGIA SOLAR ≈ 200 W/m2

Para fornecer toda energia (30 TW) :

Superfície ≈ 4.5×106 km2 ≈ Brasil/2

Problemas:Inconstância da radiação solar

Eficiência das células fotovoltaícas Cacimba Ceará

2,79.591100Estados Unidos

10,335614Alemanha

0,416.98126Russia

15,437221,8Japão

5,054610França

0,59962,0Egito

0,99.37732China

0,38.4668,6Brasil

0,27.5804,8Austrália

% áreaÁrea(103 km2)

Total QuadsPaís

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FONTES RENOVÁVEIS - HIDROGÊNIO

NÃO É FONTE PRIMÁRIA DE ENERGIA, MAS SIM VETOR

ENERGÉTICO

Importantíssimo para reduzir emissão de CO2, mas somente se não for produzido utilizando combustível fóssil !!!

Célula combustível Hidrogênio – Oxigênio

Eficiências: teórica ≈ 83%; prática ≈ 60%

Eficiência em motor de combustão ≈ 40%

Produção termoquímica

Eficiência ≈ 70%

(eletrólise ≈ 80%; solar ≈ 66%)

crítico

13/02/2006

Reatores Nucleares: Caldeira Reações Nucleares

GERAÇÃO TERMOELÉTRICA

13/02/2006

Produção de Energia em Reações Nucleares

P = (M –A)/A

M: massa real (uma)

A: n0 de massa (uma)

P(C12) = 0

E = k×(Mi –Mf)c2

Mi: massa total inicial dos reagentes

Mf: massa total final dos produtos

k = 1 (SI); k = 931,466MeV/c2

≈ 200(MeV)/235(uma)

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ANGRA I

TOKAMAKT = 72.000.000 0C !!!!

REATORES A FISSÃO E FUSÃO

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REATORES A FISSÃO - 2

Com os problemas de segurança e de disposição de rejeitos radioativos, a centrais nucleares deixaram de ser utilizadas?

Atualmente, existem cerca de 440 centrais nucleares em operação, todas baseadas em reatores refrigerados a água, produzindo aproximadamente

16% da energia total consumida no mundo

19------------------------------11852 (23)Reino Unido

201065 (01)97838 (103)EUA

163600 (04)21743 (31)Rússia

29866 (01)47700 (55)Japão

78------------------------------63473 (59)França

15515 (01)12080 (17)Canadá

3????????????????1901 (02)Brasil

55------------------------------5728 (07)Bélgica

11,8__________________935 (02) Argentina

29,1------------------------------22017 (20)Alemanha

% geraçãoelétrica

Em construçãoMWe (unidades)

Em operaçãoMWe (unidades)

País

http://www.uic.com.au/reactors.htmCHINA: 6 a 8 novas centrais nucleares por ano até2020!

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REATORES A FISSÃO - 3

Comparação com centrais termoelétricas convencionais

rejeito de alta radioatividade contido em um cubo de 1,5m

de lado

220.000t cinzas/a 120.000t cinzas volantes 70.000t

enxofre/a 130.000t gesso/a

Rejeitos anuais

0 0 08.500.000t CO2/a 12.000t SO2/a 6.000t NOx/a

Emissão de CO2, de SO2 e de NOX

5 caminhões por ano33.000 vagões por anoNecessidade de transportede combustível

alguns m2 somente25 ha(reserva de 2 meses)

Espaço para estocagem decombustível

5 há415 háUtilização de terra paramineração e rejeitos

32t U Enriquecido ou(170t U Natural)

2,8 milhões tonConsumo Anual de Combustível

Urânio EnriquecidoAntracitaCombustível

1300 Mwe2 x 650 MweCapacidade Instalada

NUCLEARCARVÃOUSINA

As termoelétricas também

liberam metais pesados

Arsênio 90 ton Bário 300 ton Cádmio 10 ton

Manganês 70 ton Zinco 220 ton Vanádio 140 ton

(por ano, para usina de 1000 MWe)

13/02/2006

REATORES A FISSÃO - 4

PROBLEMAS : segurança e disposição de rejeitos radiativos

Rejeitos de alta atividade têm que ser guardados por pelo menos um ano, em piscinas de rejeitos, e depois embaladas em tanques de contenção

Ainda não há uma tecnologia segura para garantir armazenagem por vários séculos!

Problema de acidentes por perda de resfriamento pode ser muito minimizado nos reatores de quarta geração (intrinsecamente seguros)

Ex: Pebble-Bed Reactor (AS)

13/02/2006

FUSÃO NUCLEAR CONTROLADA

Vantagens da Fusão Nuclear sobre a Fissão

É uma fonte de energia razoavelmente “limpa”:não produz lixo radiativo.

É praticamente nula a probabilidade de acidentes.

A água do mar praticamente corresponde a uma

fonte inesgotável de deutério!D → Deutério existe na água do mar. O deutério disponível daria para satisfazer nossa demanda de energia por milhões de anos.

T → Trítio (meia-vida 12anos) não existe na natureza. Tem que ser produzido no manto do reator por reação com lítio.

L → Lítio abundante na crosta terrestre. Se toda a energia necessária fosse produzida por fusão, as reservas conhecidas dariam para 1000 anos.

10g D (500l de água)

+

15g T (30g L)

Energia necessária para toda a vida útil de um habitante de país desenvolvido

14 MeV

n + 6Li → T + 4He

n + 7Li → T + 4He + n

13/02/2006

PRINCIPAIS REAÇÕES DE FUSÃO

D2 + D2 → (He3 + 0,82 MeV) + (n1 + 2,45 MeV)

D2 + D2 → (T3 + 1,01 MeV) + (H1 + 3,03 MeV)

D2 + T3 → (He4 + 3,52 MeV) + (n + 14,06 MeV)

D2 + He3 → (He4 + 3,67 MeV) + (H1 + 14,67 MeV)

Potência produzida/(volume)

P = Q × R;

Q: energia por reação

R = n1n2<σv> : taxa de reaçãoσ:seção de choque para a reação entre 1&2

<σv>: média sobre uma distribuiçãoMaxwelliana de velocidades

RDT = 10-24n2T2 ( reacões/m3;m-3;keV)

13/02/2006

CRITÉRIOS DE LAWSON E DE IGNIÇÃO

Potência produzida pelas reações de fusão

Taxa de energia perdida por radiação e transporte + fração de potência

aproveitada

Q =1

Lawson: em regime estacionário

Ignição:

Potência transferida ao plasma pelas partículas alfa (He4++) é suficiente para compensar as perdas, dispensando energia de aquecimento ( X )

X

Nestas temperaturas a matéria só existe na forma de plasma: gás totalmente ionizado mas

macroscopicamente neutro

nτT ≥ 3,0 × 1021 (m-3.s.keV)

13/02/2006

Desenvolvimento e Estágio Atual

Progresso lento mas permanente

13/02/2006

TRAJETÓRIA DE PARTÍCULAS

Campo magnético toroidalDeriva devido curvatura causa separaçãode cargas e fluxo do plasma para fora devido à deriva elétrica (Fermi)

Campo toroidal + poloidal

(Sakharov & Tamm)

TOKAMAK

Magnetic

drift

Electric

drift

13/02/2006

CONFINAMENTO MAGNÉTICO TOKAMAK

Igor Tamm and Andrei Sakharov ~ 60

Relâmpagos – descargas de mais de 30.000 A e temperaturas maiores que 30.000 0C!

13/02/2006

JET

O maior tokamak

atualmente em operação

TCABR

Campo magnético: BT = 3 T

Corrente Máxima: Ip = 5 MA

Temperatura iônica: Ti ≤ 20 keV

Temperatura eletrônica: Te ≤ 12 keV

Densidade eletrônica: ne ≤ 2×1020m-3

13/02/2006

COMPROVAÇÃO DA FUSÃO NUCLEAR CONTROLADA NO JET

1991: Primeiro experimento com DT

1997: 16 MW potência de fusão - 4 s

15% aquecimento do plasma

por partículas α

Potência limitada pelo inventário de trítio

13/02/2006

BRASIL: DOIS TOKAMAKS DE PEQUENO PORTE

TCABR - IFUSP ETE – LAP/INPE

BT = 1,2 T; Ip = 100 kA;

< n> = 2,5×1019m-3; kBTe0 = 600eV

Entrou em operação em outubro 1999

BT = 0,4 T; Ip =50 ⇒ 200 kA;

< n> = 2 ⇒ 5×1019 m-3; kBTe0 = 120 ⇒ 500eV

Entrou em operação em novembro 2000

P. Helander et al: PPCF 44, B247 (2002)

13/02/2006

PROJETO ITER

Consórcio Internacional:

China, Estados Unidos, EURATOM (União Européia e Suíça), Japão, Coréia, Rússia

Local: Cadarache, perto de Aix-en-Provence, França.

Entrada em operação prevista para 2016 (10 anos de construção)

Custo total: cerca de seis milhões de euros

Objetivo: confinar plasma a 100 milhões degraus Celsius, produzindo 500 MW de potência termonuclear

13/02/2006

ITER

13/02/2006

PROJETO ITER

Participação de outros países.

• Índia fez proposta de participar pagando cerca de 10% do custo do projeto; proposta ainda não aceita.

• Delegacão da EURATOM visitou o Brasil na semana de 14 a 19 de novembro para averiguar nossas possibilidades de participar no projeto

Bobinas, que representam cerca de 17% do custo do projeto, serão feitas de ligas de Nióbio-Titânio e Niobio-Estanho.

Brasil produz cerca de 90% do Nióbio mundial, mas não fazemos os fios supercondutores aquí.

PARTICIPAÇÃO BRASILEIRA, PRODUZINDO OS FIOS DE NIÓBIO, PODERIA

REPRESENTAR UMA BOA REDUÇÃO NO CUSTO DO PROJETO!

13/02/2006

Desafios para Realizar Reatores a Fusão

1. Evitar Instabilidades Δp/Δr > 10atm/m

13/02/2006

Desafios para Realizar Reatores a Fusão

2. Controlar Transporte Anômalo

D ≅ Δ2/τ

Classical: Δ ~ ρ α T1/2/B;

τ α T3/2

D α 1/(T1/2B2)

Anômalo (D. Bohm, 1946) D ~ kT/16eB

Transporte “neoclassico”: Dneo> 10×Dclas

Resultado experimental: D pelo menos duas ordens de magnitude maior e dominado por processos turbulentos!

Δ

13/02/2006

Transporte Tubulento

Turbulência causa

células alongadas

conveccão - streammers

Descoberta experimental:

Campos elétricos

radiais, com

cizalhamento,

destroem as células,

reduzindo transporte

: Barreiras de transporte

Barreiras de transporte

ASDEX, Max-Planck (1982)

13/02/2006

CONFINAMENTO BASEADO EM

“LEIS DE ESCALA” EXPERIMENTAIS

Estrapolacão para ITER talvez forte demais!

13/02/2006

PROBLEMAS TECNOLÓGICOS

Fluxo de potência na primeira

parede ~ 5 MW/m2!

Danos de radiacão por neutrons de 14 MeV

Solucões testadas em laboratório, mas não em cenário

plasma termonuclear em ignicão

Diversor projetado para suportar ~ 10 MW/m2

13/02/2006

Alfred Nobel Symposium

Energy in Cosmos, Molecules and Life

Rober Aymar

Director, CERN

June, 2005

13/02/2006

13/02/2006

PERSPECTIVA PARA UM PROGRAMA NUCLEAR BRASILEIRO

1. CONCLUIR ANGRA III.

2. CONDUZIR UM PROGRAMA AGRESSIVO PARA GERENCIAMENTO DE RESÍDUOS RADIOATIVOS.

3. CONSOLIDAR UM PROGRAMA DE PESQUISA EM SISTEMAS NUCLEARES AVANÇADOS, ATRAVÉS DA PARTICIPAÇÃO EM PROJETOS INTERNACIONAIS:

FISSÃO: REATORES ADS E DE QUARTA GERAÇÃO

FUSÃO: PARTICIPAÇÃO NO ITER

13/02/2006

PLASMA NA NATUREZA

13/02/2006

13/02/2006

Problemas para Viabilização de

Reatores

Principal: primeira parede

Dano por radiação