IEAv - Instituto de Estudos Avançados
Acesso á Informação
BRASIL Acesso á Informação IEAv - Instituto de estudos Avançados
 
Projetos

LEV - Laboratório de Engenharia Virtual
(Colaboração da ENU com a EFA-Divisão de Física Aplicada)

 
Projeto TERRA – Tecnologia de Reatores Rápidos Avançados

Gerente do projeto e Contato: Dr. Lamartine Nogueira Frutuoso Guimarães
e-mail: guimarae@ieav.cta.br
Tel.: 12-3947-5474
Fax.: 12-3944-1177


Objetivo geral - propiciar o desenvolvimento de tecnologias especiais que permitirão a aplicação da energia nuclear para a geração de energia elétrica e efeito propulsivo nos dispositivos espaciais brasileiros, tais como: satélites e naves espaciais.

          O projeto TERRA é classificado como um projeto estratégico para o Comando da Aeronáutica, e, em parte, financiado por esse Comando. Isto significa que a sua aprovação foi obtida nos níveis mais altos do Comando da Aeronáutica. O processo de aprovação de um projeto começa com uma avaliação interna ao próprio Instituto de Estudos Avançados – IEAv. Uma proposta é submetida à Comissão de Assessoria de Pesquisa e Desenvolvimento – CAPD, cujos membros são pesquisadores pertencentes às diversas áreas de pesquisa do Instituto. O projeto é avaliado com base na aderência ao SisCTID, à Estratégia Nacional de Defesa, à missão e objetivos institucionais. Sua aprovação nesta comissão implica numa recomendação ao Diretor da Instituição para sua aprovação. Quando aprovado o projeto passa a ser um projeto do IEAv. O próximo passo é ser submetido ao Departamento de Ciência e Tecnologia Aeroespacial (DCTA), com recomendação do nível de interesse estratégico. A decisão final quanto à classificação é do Estado Maior da Aeronáutica. O projeto TERRA passou por todas estas etapas, e tornou-se um projeto de interesse da Aeronáutica conduzido pelo IEAv e classificado como estratégico.
         Uma visão de futuro para o Comando da Aeronáutica é a necessidade do poder aeronáutico tornar-se, ainda neste século, poder espacial. Até o momento, o Brasil tem interesse apenas na órbita do Planeta Terra. As razões são claras, as oportunidades econômicas que o uso da órbita propicia: telecomunicações, controle da ocupação humana, do desmatamento, das fronteiras da Amazônia azul, previsão climática, entre tantos outros. O espaço além órbita não é tomado ainda como prioridade. Este fato deve ser considerado circunstancial. Mais ainda, todos os países que empreenderam missões de espaço profundo até o momento o fizeram de forma remota. A permanência do Homem até o momento é temporária. No entanto, há muito mais a explorar no espaço profundo além do que, simplesmente, a própria aventura de lá chegar. Trata-se aqui da exploração econômica do espaço profundo, da garantia de que recursos, hoje considerados ilimitados pelo nosso padrão econômico e tecnológico, estejam disponíveis para as gerações futuras de brasileiros. Há quantidades consideráveis de He3 na superfície da Lua, depositada lá pelo vento solar (por bilhões de anos). Praticamente todos os elementos químicos existem no cinturão de Asteróides, localizados um pouco além da órbita de Marte. Alguns destes elementos químicos com uso direto em alta tecnologia e abundâncias bem maiores do que as conhecidas na Terra. Isto sem contar a existência de água na Lua, nos asteróides e em Marte podendo até ser possível a existência de vida nas suas formas mais elementares. Todas estas riquezas estão lá para serem exploradas. Fato é que muito da exploração, até então realizada pelos EUA, foi feita utilizando gerador de potência elétrica GTRs, ou seja, Geradores Termoelétricos a Radioisótopos. GTRs são dispositivos nucleares que funcionam com o calor gerado pelo decaimento nuclear. Um limitante desta tecnologia é o valor de potência elétrica gerada. No entanto, para o uso em sondas autônomas e automáticas estes valores são satisfatórios.
         A exploração econômica do espaço profundo requer a presença Humana de forma mais perene. O problema muda de figura quando se trata de atender as necessidades de sobrevivência dos Seres Humanos. A presença Humana no espaço profundo requer necessariamente mais potência, seja para gerar eletricidade, seja para propulsão. É previsto que antes da metade deste século o Ser Humano irá de forma definitiva se estabelecer na Lua e de forma intermitente chegar a Marte. Com base nas tecnologias disponíveis e viáveis no momento, nenhum destes objetivos pode ser alcançado sem o uso da energia nuclear. É importante acrescentar que os Russos já colocaram 36 reatores nucleares em órbita da Terra. Os americanos colocaram em órbita apenas 1 reator nuclear. No entanto, no final dos 50, durante todos os 60 e até o começo dos 70, os Americanos construíram e testaram reatores nucleares para uso no espaço das mais diversas potências, dentro do projeto NERVA. Naquela época a motivação era uma futura colônia na Lua e uma viagem ao planeta Marte. Hoje, nos Estados Unidos existe um projeto de uma unidade nuclear de 45 kW elétricos para ser colocada na Lua a fim de prover energia elétrica para uma base americana na Lua. Os Russos tencionam produzir uma nave com unidade de potência nuclear para testar meios de afetar órbita de asteróides com o objetivo de, se necessário, alterar a órbita de um asteróide que tivesse em curso de colisão com a Terra. Os Franceses estão trabalhando no conceito de um reator nuclear para gerar energia elétrica com abundância no espaço. Comentários vindos dos Russos garantem que os Chineses estão com um programa nuclear espacial bem avançado. É importante acrescentar que os Chineses já declararam que querem explorar o He3 da superfície da Lua. A importância do He3 é devido a que a reação de fusão Deutério-Hélio-3 é a que possui o menor requisito de energia para ser iniciada e é aneutrônica. Estes fatos indicam que esta reação de fusão é a mais desejada para um reator funcionando a fusão nuclear. No entanto, a reação que se pretende utilizar no projeto ITER é a Deutério-Trítio uma vez que He3 é quase inexistente na Terra. Assim, evidencia-se que existe um momento forte para a utilização de reatores nucleares no espaço. Este fato não ocorreu ainda em larga escala, pois as condições e interesses econômicos do passado ainda não haviam chegado ao ponto necessário. Este ponto agora se encontra no nosso horizonte de previsão. É importante relembrar que a tecnologia nuclear, qualquer que seja ela, é considerada sempre sensível. Tentar desenvolver uma tecnologia sensível após outros atores já o terem feito gera muita controvérsia. Deste ponto de vista, o projeto TERRA é bastante oportuno. Com o desenvolvimento do projeto TERRA, o País tem tudo para ser um membro bem cotado do clube dos países que possuem e utilizam a tecnologia nuclear no espaço.
         É importante ressaltar que a tecnologia nuclear aplicada ao espaço é como se fosse uma passagem para o desenvolvimento tecnológico e acesso a riquezas que de outra forma não poderão ser obtidas. Aqueles países que empreenderem as suas capacitações agora só terão a lucrar no futuro (médio e longo prazo). É mais importante ainda enfatizar que como a tecnologia nuclear aplicada ao espaço é chave para desenvolvimentos especiais e acesso a riquezas de outra forma não obteníveis, será também impossível de ser adquirida de terceiros. Esta deverá ser desenvolvida por cada um dos interessados. Este é o propósito do projeto TERRA, dar ao Brasil a oportunidade de desenvolver estas tecnologias dentro de uma janela de oportunidades favorável, ou seja, quando todos os outros estão fazendo a mesma coisa. Buscamos nossas próprias soluções, nossa própria capacitação, nossa própria autonomia.
         Entre as tecnologias consideradas estratégicas para serem investigadas estão: elementos combustíveis e seus materiais, núcleos e seus arranjos geométricos, ciclos térmicos conversores de energia térmica em elétrica (Brayton e Stirling), tubos de calor e seus sistemas utilizados como eliminadores passivos de calor residual de ciclos térmicos, conceitos alternativos de turbinas (tais como, a turbina de Tesla), dentre outros.
         Até o momento foi construído um pequeno prédio para abrigar um ciclo Brayton fechado, o qual servirá de modelo para o conversor energia térmica para elétrica. Foi, também, realizada a reforma de uma área para abrigar o Laboratório Computacional de Tecnologia Nuclear - LTCN. Recentemente, também se adquiriu para o LTCN uma estação de trabalho DELL 7500 com processador DUAL QUAD CORE XEON W5580, número de carga 7025 301/1. A este equipamento foi acrescentado 21 unidades do DELL XPS 8300, equipados com WINDOWS 7 profissional, 64bit; processador intel core i5-2320 (6MB cache, 3.0GHz); 16GB dual channel ddr3 sdram at 1333mhz - 4 dimms; DELL consumer multimedia keyboard; DELL st2420l 24"w full hd monitor. Além disto recebeu-se, tmabém, mais uma DELL PRECISION T7500; equipada com WINDOWS 7, 64bit; dual six core intel xeon processador x5690, 3.46GHz, 12m l3, 6.4gt/s; 192GB, ddr3, 1066mhz, ecc (12 dimms). Neste ano de 2013 iniciou-se a construção do forno de 300 kW para o ciclo Brayton.

Imagem01

Foto do novo prédio para abrigar o futuro ciclo Brayton fechado.

Imagem02

Foto do interior do prédio que abrigará o ciclo Brayton fechado. Nesta foto o objeto embalado por plástico é o trocador de calor que será colocado dentro do forno á gás, fonte quente do ciclo Brayton fechado.

Imagem03

Foto do interior do prédio que abrigará o ciclo Brayton fechado. Nesta foto o objeto embalado por plástico é o trocador de calor que será colocado dentro da caixa metálica, que servirá de fonte fria do ciclo Brayton fechado.

img4a

Forno a gás de 300 kW que será construído em 2012 para fornecer calor ao ciclo Brayton. O calor do forno substitui o calor que será produzido pelo microrreator nuclear. O forno funciona com GLP.

image08

Visão artística do ciclo Brayton com a nova distribuição. Esta visão mostra o ciclo Brayton dentro do prédio.

Desenho artístico mostrando a nova distribuição de componentes do ciclo Brayton fechado. As paredes do prédio foram removidas para evitar sobre carga no desenho. Esta distribuição aumenta o espaço de circulação dentro do Laboratório.

image011

Visão panoramica do Laboratório Computacional de Tecnologia Nuclear. Neste evento foi realizado o curso de operação de Arduino ministrado de abril a Junho de 2013.

Imagem05

Foto do Laboratório Computacional de Tecnologia Nuclear mostrando as estações de trabalho DELL 7500 com processador DUAL QUAD CORE XEON W5580 e W5690.

Imagem06

Partes desmontadas da primeira turbina passiva multifluido construída para operar com ar comprimido.

Primeira turbina passiva multifluido gerando 55 W de eletricidade para acender uma lâmpada de farol de carro.

Imagem07

Partes da segunda turbina passiva multifluido desmontada, construída para operar com vapor.

Imagem08

Foto Schlieren da vazão de ar comprimido saindo do bocal da segunda turbina passiva multifluido para dentro da casca cilíndrica.

Foto da terceira turbina passiva multifluido construída para otimização de conceito e controle.

imagem024

Terceira turbina passiva multifluido ligada aos sistemas eletrônicos para controle de rotação. Note as lanternas de LED na parte superior as quais são acesas pela potência gerada pela turbina.

img9

Foto da máquina de Stirling, presenteada pela EMBRAPA ao IEAv.

Máquina Stirling desmontada, para análise e mensuração de peças e componentes.

Desenho diagramático produzido no CATIA da máquina Stirling.

Máquina Stirling construída baseada nos dados e mensurações realizadas anteriormente.

Máquina Stirling montada.

Imagem032

Desenho esquemático mostrando um microrreator nuclear acoplado ao seu sistema de conversão de energia, baseado em ciclo Brayton fechado. Note no esquema, um sistema de tubos de calor para rejeição passiva de calor. A lâmpada serve para ilustrar a geração de energia elétrica produzida por esta micro-usina nuclear.

Parâmetros do reator nuclear espacial Russo TOPAZ-II

Tempo de vida (anos)

3

Potência elétrica do reator (kWe)

6

Potência térmica BOL/EOL (kWth)

115/135

Eficiência da conversão BOL/EOL (%)

5.2/4.4

Massa total do sistema (kg)

1.061

Diâmetro do núcleo (cm)

26,0

Altura ativa do núcleo (cm)

37,5

Diâmetro do reator (cm)

40,8

Altura do reator (cm)

92,0

Massa do reator (kg)

290

Combustível

UO2

Enriquecimento (%)

96

Massa de U-235 (kg)

~27

Número de elementos combustíveis

37

Temperatura de entrada do refrigerante no reator BOL/EOL (oC)

470/500

Temperatura de saída do refrigerante do reator BOL/EOL (oC)

560/600

 

Baseados nos dados da Tabela anterior foram produzidos estas figuras que ajudam a entender e permitem visualizar o núcleo de um microrreator nuclear para aplicação espacial.

Desenho esquemático conceitual da proposta de núcleo para o microrreator espacial Brasileiro.

 

         No que tange a questão de treinamento de pessoal, é interesse do IEAv buscar transferir o conhecimento produzido em suas pesquisas para as gerações mais novas. De forma geral, o quadro das instituições de pesquisa do País no que diz respeito aos recursos humanos, como é bem sabido por todos os atores na área de C&T, é muito preocupante. Um grande número de pesquisadores está em vias de se aposentar o que poderá gerar uma imensa perda de conhecimento, com grande prejuízo para o País. A área nuclear, neste aspecto, será muito afetada por esse fato. O IEAv, ciente da responsabilidade de transferir esse conhecimento, criou a partir do primeiro semestre de 2012 uma pós-graduação strictu-sensu, em associação com o IAE e o ITA (Pós-graduação por associação parcial de IES, segundo a CAPES) com tópicos relacionados diretamente com o conhecimento e tecnologia desenvolvidos no IEAv. Uma das áreas de concentração é "Propulsão Espacial e Hipersônica". É dentro desta área de concentração que existe a linha de pesquisa de Propulsão Nuclear a qual dará apoio na formação de recursos Humanos e conhecimento de uso da tecnologia nuclear, para o projeto TERRA e para o País. O novo curso foi denominado “Ciências e Tecnologias Espaciais” – PG-CTE, e está na área de Engenharias III, foi avaliado pela CAPES e recebeu nota 4. O projeto TERRA se estivesse focado apenas na formação de pessoal, já teria seu mérito justificado. Atualmente, o projeto TERRA sustenta no PG-CTE um doutoramento, um mestrado, 02 pós-doutorados e 05 iniciações científicas.