Geração Termo Hidraulica II

Geração Termo Hidraulica II

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Fig. 4.1 – Reação de fissão nuclear em átomo de U235 e reação de fissão em cadeia

Nas centrais nucleares, a reação de fissão é realizada num recipiente chamado (inadequadamente) de núcleo do reator, utilizando o material radioativo denominado combustível nuclear ou barras de combustível. O controle da reação em cadeia é fundamental para seu uso como fonte de energia. A reação descontrolada só serve a finalidades bélicas.

Dos 2 a 3 neutrons produzidos na fissão de cada núcleo, uma fração é perdida devido à absorção pelo material do núcleo do reator (material estrutural, canais de refrigeração, refrigerante, etc) e ao vazamento para fora do núcleo. Os neutrons não perdidos devem ser capazes de manter a reação em cadeia estável. Para um reator funcionando com U235, não mais do que 1,47 neutrons podem se perder. Se mais neutrons se perderem o reação cessa; se menos o reator libera energia demais e funde-se.

Existem diversos métodos de controle dos reatores nucleares. Eles se destinam a começar, aumentar, diminuir e desligar sua produção de energia. O método mais comum consiste em imergir barras de controle, feitas de um material absorvedor de neutrons (como o Bório, o Cádmio e o Índio) entre as barras de combustível. O regime permanente na produção de energia é atingido quando as barras de controles deixam passar a quantidade exata de neutrons por núcleo fissionado para manter a reação estável. A posição correspondente das barras de controle é chamada posição de equilíbrio. Quando a potência tiver que ser aumentada, as barras são trazidas para fora da posição de equilíbrio a uma velocidade segura e, depois de alcançado o novo nível de liberação de energia, retornadas a ela. A diminuição da potência se obtém introduzindo as barras no núcleo além da posição de equilíbrio. As barras podem ainda ser completamente introduzidas no núcleo para encerrar a reação em caso de emergência. A posição de equilíbrio varia à medida que o combustível físsil é consumido.

Outro método de controle em alguns tipos de reator é chamado controle por aditivos químicos. Neste caso, além da existência das barras de controle, um elemento químico (geralmente o ácido bórico) absorvedor de neutrons é misturado ao refrigerante, numa proporção suficiente para que o reator possa trabalhar praticamente sem as barras de controle. À medida que o combustível vai sendo consumido, a proporção do aditivo vai sendo variada para compensar.

Fig. 4.12 – Esquema ilustrando o funcionamento das barras de controle

Em todos os tipos de reatores, a energia liberada pelo combustível deve ser retirada por um fluido conhecido como refrigerante. A energia transportada pelo refrigerante é usada num ciclo termodinâmico para produzir eletricidade, através de uma turbina a vapor convencional. A figura 4.13 ilustra o funcionamento de uma central nuclear.

Fig. 4.13 – Esquema de funcionamento de uma central nuclear simples, tipo PWR

Os reatores nucleares podem ser classificados segundo diversos critérios. Os mais usados são:

• Quanto o número de neutrons disponíveis

As três primeiras classificações serão brevemente estudadas a seguir.

1a. classificação: Quanto ao tipo de neutron responsável pela fissão

• Reatores rápidos; • Reatores térmicos.

Os neutrons utilizados na fissão podem ser divididos de acordo com sua energia cinética em três categorias: rápidos (Ec > 105 eV), intermediários e lentos (Ec < 1 eV). Um reator rápido é aquele que depende de neutrons rápidos para realizar fissão. Um reator térmico depende de neutrons térmicos, que são uma categoria especial de neutrons lentos.

Reatores térmicos necessitam de uma substância conhecida como moderador para desacelerar os neutrons. O moderador pode ser a mesma substância que o refrigerante, água comum ou pesada (um isótopo da água), por exemplo. Pode também ser diferente, como grafite por moderador e Hélio por refrigerante.

Reatores rápidos são uma evolução dos reatores térmicos movida pela necessidade de reduzir o consumo de Urânio. Eles não usam moderadores para reduzir a velocidade dos neutrons, por isso necessitam que o refrigerante o faça. Necessitam também que ele tenha um elevado coeficiente de troca térmica, em virtude das altas densidades energéticas no núcleo. Os metais líquidos, particularmente o Sódio líquido, têm sido os mais utilizados. Gases também tem sido considerados, o Hélio em particular.

2a. classificação: Quanto ao tipo de refrigerante

Esta é uma classificação específica para os reatores térmicos. Existem uma diversidade de projetos de reatores térmicos, mas os tipos mais comuns são os quatro enumerados acima.

Nos reatores do tipo PWR, a água é usada como refrigerante. Ela deixa o reator numa pressão mais alta que a de saturação, não estando, portanto, em ebulição. Um esquema aparece na figura 4.13. A central é composta por dois circuitos: o de refrigerante, à esquerda, chamado circuito primário e o de água-vapor, à direita, chamado circuito secundário ou do fluido de trabalho. O fluido de trabalho não é contaminado pela radioatividade do núcleo e é utilizado para gerar eletricidade numa TV.

O reator do tipo BWR funciona de forma semelhante ao GV numa central convencional.

Um esquema aparece na fig. 4.15. O refrigerante entra em contato direto com o combustível nuclear e entra em ebulição. O vapor produzido é saturado e precisa ser separado da água no separador de vapor, de onde a água é enviada de volta para o núcleo do reator. O vapor é conduzido à TV e ao condensador num circuito único. Uma desvantagem deste tipo de reator é a contaminação do fluido de trabalho. Sua maior vantagem é o menor custo inicial.

Figura 4.14 – Esquema de uma central termonuclear tipo BWR.

Reatores do tipo GCR tem sido muito utilizados na Europa, particularmente no Reino-

Unido. Como o nome indica, o refrigerante é um gás, geralmente o CO2 ou o He. O moderador geralmente é grafite, mas a água pesada tem sido considerada. A vantagem deste tipo de reator é o fato de gases serem relativamente seguros, baratos, fáceis de manusear e pressurizar. Suas desvantagens são os baixas coeficientes de troca térmica por convecção, gerando grandes superfícies de troca, e os problemas de bombeamento e vazamentos. As grandes superfícies o fazem mais adequado ao uso em grandes centrais. Evidentemente, os reatores tipo GCR trabalham com dois circuitos como os do tipo PWR.

Figura 4.15 – Esquema de uma central termonuclear tipo GCR.

Finalmente, reatores do tipo PHWR, usa água pesada num ciclo de duplo circuito pressurizado, como nos reatores PWR. As características físico-químicas da água pesada são muito semelhantes às da água normal, mas suas características de absorção de neutrons são bastante diferentes. Por este motivo a água pesada pode ser usada ao mesmo tempo como refrigerante e moderador da reação. Uma das principais vantagens deste tipo de reator é a possibilidade de trabalhar com combustível não enriquecido, o que pode ser bastante atrativo para países que não dominam a tecnologia do enriquecimento. A desvantagem é o fato da água pesada ser, em si, cara de produzir.

3a. classificação: Quanto ao tipo de água utilizada

• Reatores de água normal; • Reatores de água pesada.

Esta é uma classificação que só se aplica aos reatores refrigerados a água. Os reatores dos tipos PWR e BWR utilizam água normal. O tipo PHWR usa água pesada.

Outros tipos de reatores podem ser encontrados nas centrais em operação pelo mundo. Os tipos a seguir foram obtidos http://www.aboutnuclear.org.

• SGHWR: Steam Generating Heavy Water Reactor • PHWR: Pressure Vessel Heavy Water Reactor

• LWCHWR: Light Water Cooled Heavy Water Reactor

• HTGR: High Temperature Gas Cooled Reactor

• LWBR: Light Water Breeder Reactor

• GCHWR: Gas Cooled Heavy Water Reactor

• LWGR: Light Water Cooled Graphite Reactor

Como ilustração, a fig. 4.16 mostra um reator do tipo FBR refrigerado a metal líquido

Figura 4.16 – Esquema de uma central termonuclear tipo FBR refrigerada a metal líquido

4.4. Partes componentes de uma central a gás

Historicamente, as TG tiveram sua criação e desenvolvimento inicial destinados à indústria aeronáutica militar, antes e durante a Segunda Guerra Mundial. Antes do final desta guerra, aeronaves como o Jumo 004 alemão já eram impulsionados por um par de TG montadas sob suas asas, conforme ilustra a fig. 4.17 (esq). A superioridade desta aeronave sobre as outras, movidas por motores alternativos e impulsionadas a hélice, era amplamente reconhecida na época. Acredita-se que o uso de propulsão a jato, como ficou conhecido o emprego das TG na aeronáutica, poderia ter mudado o curso da guerra, se ele tivesse se iniciado mais cedo.

Fig. 4.17 – Turbojato Jumo 004, alemão, empregado no final da Segunda Guerra Mundial (esq.). Trem impulsionado por TG (dir.)

Após a Segunda Guerra, o emprego militar das TG foi ampliado. Elas passaram a equipar embarcações militares de menor pequeno e médio porte, como as fragatas, as corvetas e os submarinos. As embarcações de maior porte, como os encouraçados e os porta-aviões, continuaram sendo impulsionadas por TV de ciclo convencional. Posteriomente, forma implementadas TV movidas a energia nuclear.

Atualmente as TG são largamente utilizadas em navios tanto militares quanto civis, de transporte de passageiros, de carga e até em iates e barcos de luxo. O emprego na impulsão de trens já é feito a algum tempo e existem no mercado atual trens rápidos (fig. 4.17, dir.), com velocidade máxima de 240 km/h, operando em trilhos convencionais, impulsionados por TG de 5000 HP. O uso de TG para propulsão de automóveis tem sido estudado, mas nunca teve êxito suficiente para permitir sua utilização em série.

A aplicação das TG a ser estudada neste texto é, naturalmente, a geração de energia elétrica. Nesta aplicação, as TG são empregadas tanto quanto como centrais de pico quanto como centrais de base, neste caso geralmente funcionando em um ciclo combinado com uma TV, o que permite rápida partida e operação flexível em todo o intervalo de cargas. A principal desvantagem do uso das TG em relação às TV na geração de energia elétrica é o fato delas não poderem utilizar combustíveis sólidos, de custo inferior ao dos líquidos e gasosos. Os baixos custos de investimento inicial recomendam, contudo, a sua aplicação em centrais de pico. Recentemente, as TG tornaram-se competitivas com as TV devido a melhorias na eficiência de seu ciclo, obtidas com o aumento das temperaturas de combustão, possível em virtude do desenvolvimento de novos materiais para suas pás e palhetas.

As centrais que utilizam TG são essencialmente compostas pela própria TG. Não há

GV, pois o fluido que impulsiona a turbina é uma mistura de gases provenientes da queima de um combustível. Evidentemente, não há condensador nem bomba de condensado e a maior

parte dos outros acessórios fica embutido na TG. Os estágios de expansão das TG são similares aos das TV, apenas as palhetas e as pás sendo bem menores nas TV. Além disso, as pressões de entrada nas TG são bem menores que nas TV. Desta forma, os componentes essenciais de uma central a gás são:

• Compressor; • Câmara de combustão;

• Turbina propriamente dita.

O compressor é uma MF, MT e MG, que pode apresentar simples ou múltiplos estágios, podendo ser radiais e/ou axiais, e cuja função é aumentar a massa específica do ar encaminhado para a câmara de combustão. A figura 4.18 ilustra o funcionamento de um compressor axial de sete estágios utilizado em uma TG aeronáutica.

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