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.
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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%
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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 !
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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 - 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)
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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
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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
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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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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
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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
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
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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
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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
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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)
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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
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
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
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