1 O Uso da Energia Nuclear no EspaçoDr. Guilherme Borges Ribeiro Divisão de Energia Nuclear Instituto de Estudos Avançados
2 Energia Nuclear. Porquê?= 50 X Energy Density: 82 billion joules per gram Decaimento radioativo: potência via emissão de partículas radioativas (alfa, beta, gama, n). Base tecnológica estabelecida bem estabelecida no espaço. Fissão : U + n → produtos de fissão + 2 a 3 neutrons + energia (179 MeV) → 3x106 energia da queima de carvão. Base terrestre bem estabelecida – experiência limitada p/ espaço.
3 GTR – Gerador Termoelétrico por RadioisótoposEM COMUM: decaimento radioativo de Pu-238 conversores termoelétricos (efeito Peltier/Seebeck)
4 GTR – Gerador Termoelétrico por RadioisótoposPouca centenas de W, com várias décadas de vida. EUA lançou 46 GTRs em 27 missões. Atualmente, 35 GTRs estão sendo usados em 18 missões. Nunca uma falha foi reportada.
5 Mais Energia / Mais Longe / Mais tempoFissão Nuclear O uso da energia por fissão nuclear é estratégica para ocupação e exploração do espaço, pois permite acesso ao espaço profundo (grandes distâncias). Fonte de energia de longa duração, ininterrupta e independente do ambiente. Sistema deve ser pequeno, de alta confiabilidade, autônomo e transportável. Alta relação potência elétrica por peso final. Produção de Pu-238 é atualmente insuficiente para demanda de novas missões. Eficiência de conversores termoelétricos muito baixa (~ 5 %).
6 Fission Surface Power - FSP5 a 10 anos de duração. Potências 10 a 100 kW. Adaptável para várias missões (Lua e Marte). Conversão de energia: Máquinas stirling. Rejeição de calor com tubos de calor.
7 Nuclear Electric Propulsion - NEP5 a 15 anos de duração. Potências de 100 kWe até vários MWe. Missões para carga ou tripuladas. Baixa massa específica (kg/kW). Conversão de energia: Stirling/Brayton. Rejeição de calor: tubos de calor.
8 NASA - GRC Energy Conversion Branch – Nasa GlennResearch Center – Cleveland/Ohio. Programa PROMETHEUS e JIMO (Jupiter Icy Moon Orbiter). Programa finalizado em 2005. 200 kW de potência. Refrigerados a tubos de calor com metais líquidos. Ciclo de conversão Brayton. Eficiências ~ 20 %. Reator JIMO com 4 ciclos Brayton
9 NASA - GRC Atualmente: foco em máquinas Stirling.Incorporado à processos de fissão e decaimento radioativo de geração de calor. Potências de kW. Eficiência de conversão > 20%. Tecnologias serão aproveitadas p/ o programa Discovery. Daniel Goldin: "faster, better, cheaper" planetary missions.
10 Projeto Democritos Parceiros: European Science Foundation DLRNational Nuclear Laboratory Thales Alenia Space Italia Snecma IEAv: Instituição Observadora e independente. Conceito: 800 km órbita 1MW de potência Núcleo com 1300 K. Ciclo Brayton
11 Tecnologia de Reatores Rápidos AvançadosProjeto TERRA – TEcnologia de Reatores Rápidos Avançados PROJETO TERRA Tecnologia de Reatores Rápidos Avançados Aplicação dual. Pode ser empregada em locais remotos, de catástrofe natural e no leito oceânico (pré-sal).
12 Projeto TERRA Núcleo Reator Rápido com microesferas de UNRefrigerado a tubos de calor (Na, Li, Ta, K)
13 Projeto TERRA Laboratório de Sistemas Térmicos Ciclo Brayton
14 Projeto TERRA Máquinas Stirling Turbina Tesla
15 Outras Linhas de PesquisaModelagem e otimização dos ciclos de conversão para aplicação espacais. Modelagem de tubos de calor (água e metais líquidos). Cálculo de propriedades termo-físicas de gases a alta temperatura (>1000 K). Validação da modelagem de escoamentos bifásicos via CFD. Termo-hidráulica de reatores PWR, refrigerados a água (propulsão naval). Ciclos de conversão Rankine. Mecanismos passivos de transferência de calor em reatores.
16 Divisão ENU/IEAv
17 PG-CTE ITA/IAE/IEAv Engenharias III Área EspecíficaEngenharia Aeroespacial PG-CTE ITA/IAE/IEAv Programa de Ciências e Tecnologias Espaciais Física e Matemática Aplicada Química dos Materiais Propulsão Espacial e Hipersônica Sensores e Atuadores Espaciais Sistemas Espaciais, Ensaios e Lançamentos
18 Projeto TERRA- Formação de RH10 Pesquisadores (8 doutores) 4 pós doutorados finalizados. 3 doutorados em andamento. 4 mestrados em andamento. 6 Alunos de iniciação científica Bolsas da FAPESP, AEB/CNPq e do próprio projeto TERRA. Edital de seleção de novos bolsistas a ser aberto para início de Todas as modalidades.
19 Muito obrigado pela atenção!Santos Dumont com Álvaro Alberto, 12 de Novembro de 1918 (de João Carlos Vitor Garcia, Álvaro Alberto – A Ciência do Brasil) Maiores informações: Dr. Lamartine Nogueira Frutuoso Guimarães Dr. Guilherme Borges Ribeiro