INTRODUÇÃO

O desenvolvimento de bombas eletromagnéticas (EM) iniciou-se no Instituto de Estudos Avançados – IEAv em 1988, no âmbito do Projeto de Reatores Espaciais – RESPA, com a implantação de um laboratório para manuseio de Mercúrio (o único metal líquido a temperatura ambiente), selecionado como fluido de trabalho a ser utilizado nas experiências. Projetou-se, montou-se e ensaiaram-se duas bombas eletromagnéticas de corrente contínua, uma com magneto tipo C e outra com imãs permanentes de Samário-Cobalto (para a geração de campo magnético), ambas tiveram desempenho satisfatório no controle do escoamento de Mercúrio líquido, nos circuitos experimentais desenvolvidos.

Bombas eletromagnéticas utilizam o princípio de Faraday, no qual a interação de corrente elétrica e campo magnético geram a força magnetomotriz, que controla o escoamento do fluido. As bombas eletromagnéticas não têm partes móveis, são completamente seladas, apresentam alta confiabilidade e permitem a utilização de fluido radioativo à alta temperatura. Estas características as tornam interessantes para utilização no controle de vazão de metais líquido dos circuitos de refrigeração de reatores nucleares rápidos.

No mundo há vários reatores rápidos em desenvolvimento na França, Japão e Índia, que utilizam o Sódio líquido como fluido de trabalho, com controle de escoamento por bombas centrífugas. No reator rápido experimental norte americano EBR-II o escoamento de Sódio líquido do circuito secundário é controlado por bombas eletromagnéticas de corrente contínua. Há outros projetos norte americanos de reatores refrigerados a Sódio, como o IFR e o PRISM, que utilizam conceitos avançados de segurança inerente e passiva. No PRISM prevê-se a utilização de bombas eletromagnéticas de corrente alternada no circuito primário de refrigeração. No reator rápido espacial norte americano SP-100 o escoamento de Lítio líquido nos circuitos de refrigeração écontrolado por bombas eletromagnéticas termoelétricas (EMTE).

Este trabalho utiliza o programa computacional BEMC-1 (desenvolvido para projetar e avaliar o desempenho de bombas eletromagnéticas de corrente contínua), compara resultados teóricos e dados experimentais da bomba EM, operando com Mercúrio, e avalia a possibilidade da aplicação de bombas eletromagnéticas no controle do escoamento de metais líquidos de interesse em reatores rápidos. A Tabela 1 apresenta as propriedades dos metais líquidos de interesse para reatores rápidos, simulados nesta avaliação.

Resumo

Bombas eletromagnéticas utilizam o princípio de Faraday, no qual a interação de corrente elétrica e campo magnético gera a força magnetomotriz que controla o escoamento de metais líquidos. Neste trabalho apresenta-se a comparação de resultados teóricos e dados experimentais de ensaios das duas bombas eletromagnéticas de corrente, com magneto tipo C e com imãs permanentes de Samário-Cobalto, desenvolvidas no Instituto de Estudos Avançados - IEAv, operando em circuitos a Mercúrio, validando o esquema de análise do programa computacional BEMC-1, e usa-se o BEMC-1 para avaliar a possibilidade da utilização de bombas eletromagnéticas para o controle de vazão dos metais líquidos de interesse em reatores rápidos para aplicação em terra e espacial.

Eduardo M. Borges, Francisco A. Braz Filho e Lamartine N. F. Guimarães

Instituto de Estudos Avançados - São José dos Campos - SP

VIABILIDADE DO USO DE BOMBAS ELETROMAGNÉTICAS DE CORRENTE CONTÍNUA NO CONTROLE DE VAZÃO DE METAIS LÍQUIDOS

CONCLUSÃOPara a avaliação de desempenho das bombas EM operando com os metais líquidos de interesse pode-se obter os pontos de operação do sistema bomba-circuito, definidos pela interseção das curvas dinâmicas e de perda de carga de cada fluido. Os resultados teóricos, obtidos com o BEMC-1, mostraram a viabilidade da utilização de bombas eletromagnéticas para o controle de escoamento de metais líquidos, considerados de interesse para remoção de calor, em reatores nucleares rápidos para aplicação em terra e espacial.

Tabela 1. Propriedades dos metais líquidos simulados pelo BEMC-1

0 4 8 12 16 20vazão (l/min)

0.0E+0

1.0E+4

2.0E+4

3.0E+4

4.0E+4

5.0E+4

pres

são

dinâ

mic

a (N

/m2

)

I= 800 A, B= 0.9 Wb

circ 3.8 m

I= 600 A, B= 0.75 Wb

I= 400 A, B= 0.63 Wb

I= 200 A, B= 0.46 Wb

1 2 3 4 5corrente de campo (A)

0.0E+0

4.0E+3

8.0E+3

1.2E+4

1.6E+4

2.0E+4

pres

são

está

tica

(N/m

2 )

600 A

400 A

200 A

experimental

2 4 6 8 10corrente de campo (A)

1

2

3

4

5

6

vazã

o (l/

min

)

200 A

400 A

600 Aexperimental

COMPARAÇÃO TEÓRICA E EXPERIMENTAL

As Figuras 1 e 2 apresentam os dados experimentais de pressão estática e de vazão das duas bombas EM desenvolvida, operando com Mercúrio nos circuitos estático e dinâmico. A comparação destes dados a resultados teóricos obtidos com o programa BEMC-1 apresentam boa concordância, validando o esquema de simulação.

CURVAS DE DESEMPENHO

Os desempenhos teóricos das bombas EM tipo C e de imãs apresentados nas Figuras 3 e 4, foram obtidos com o BEMC-1, com base na geometria do canal das bombas, ou seja, altura do canal (a) de 10 mm, largura do canal (b) de 30 mm e o comprimento útil (c) de 70 mm, levantando-se as curvas dinâmicas das bombas EM (para possíveis conjuntos de valores de campo magnético e corrente principal) e as curvas de perda de carga do circuito dinâmico (com diâmetro interno de 12,2 mm e comprimento equivalente de 3,8 m), para os metais líquidos de interesse. Nota-se que as curvas de operação da bomba EM de imãs de Samário-Cobalto são paralelas, pois o campo magnético é constante e igual a 0,44 Wb/m2.

Figura 1. Curvas de pressão estática e de vazão da bomba EM tipo C operando com Mercúrio

Figura 3. Curvas da bomba EM - tipo C operando com Mercúrio e Sódio

0 4 8 12 16 20vazão (l/min)

0.0E+0

2.0E+4

4.0E+4

6.0E+4

pres

são

dinâ

mic

a (N

/m2

)

I= 600 A, B= 0.75 Wb

I= 800 A, B= 0.9 Wb

I= 400 A, B= 0.63 Wb

I= 200 A, B= 0.46 Wb

circ 3.8 m

Mercúrio Sódio

Mercúrio Lítio

0 4 8 12 16 20vazão (l/min)

0.0E+0

1.0E+4

2.0E+4

3.0E+4

pres

são

dinâ

mic

a (N

/m2

)

I= 800 A

I= 600 A

I= 400 A

I= 200 A

circ 3.8 m

0 4 8 12 16 20vazão (l/min)

0.0E+0

5.0E+3

1.0E+4

1.5E+4

2.0E+4

2.5E+4

pres

são

dinâ

mic

a (N

/m2

)

I= 800 A

I= 600 A

I= 400 A

I= 200 A

circ 3.8 m

Figura 4. Curvas da bomba EM de imã operando com Mercúrio e Lítio

Figura 2. Curvas de pressão estática e de vazão da bomba EM de imãs operando com Mercúrio

0 200 400 600 800corrente principal ( A )

0

4

8

12

16

20

pres

são

(cm

Hg)

teórica

3 blocos

4 blocos

5 blocos

2.9 e-42.4 e-41.5 e-3Viscosidade dinâmica (N.s/m2)46283013400Massa específica (Kg/m3)

4.0 e-72.0 e-79.3 e-7Resistividade elétrica (ohm.m)70050020Temperatura (oC)LítioSódioMercúrioPropriedade \ metal

1 2 3 4 5 6Vazão (l/min)

0

4

8

12

16

Pre

ssão

(cm

Hg)

circ 3.8 m

I= 600 A

I= 500 A

I= 400 A

I= 300 A

I= 200 A