Projeto conceitual de fonte de alimentação com operação em quatro quadrantes para utilização em futuros reatores de fusão nuclear.

Abstract

The world's energy demand has steadily increased in recent years, bringing to the forefront

increasingly relevant environmental issues in discussions associated with energy generation.

One of the forms of generation with lower environmental impact is nuclear generation,

which can be developed in two ways: fission or fusion. The first is nuclear fission, a

methodology already used by many countries worldwide, and despite its low environmental

impact, accidents in traditional fission nuclear power plants can represent catastrophes of

great global impact. The second form of nuclear generation is generation through the fusion

of atoms such as deuterium and tritium, isotopes of hydrogen, generating a helium nucleus

and releasing energy. This form of generation is based on a fusion reaction that closely

resembles the reaction that occurs in the core of the Sun. This technology is not yet mastered,

much less used on a large scale by any country in the world, which represents a major

engineering challenge for future generations.

In this context, this work aims to develop a conceptual source that can be used to power one

of the coils that make up the set of coils of the ohmic and poloidal fields used in the

electromagnetic control of nuclear fusion reactors. For this, some technical requirements are

necessary, such as operation in four quadrants (generate and regenerate energy), rectification

with low variation in output voltage, as well as the ability to conceptually emulate the

generation of currents on the order of tens of thousands of amperes.

In this development, the Technology Readiness Level (TRL) methodology was used to

evaluate the project's maturity. Thus, critical functions for the project were established that

must be tested individually before the complete circuit is assembled. The first function was

the use of extended delta transformers with angular phase shifts ranging from (-22.5° to

22.5°). The second function was the verification of auxiliary circuits for the source operation,

such as zero-crossing circuits, measurements, and trigger drivers. The third function was to

establish communication with the chosen controller (myRIO), and finally, the integration of

the system.

It was not possible to test the source circuit in its entirety due to some problems encountered

during the assembly of the set. However, all critical functions were tested individually, and

the results demonstrated that the subsystems have the capacity to operate according to the

project's requirements.

A demanda energética mundial aumentou constantemente nos últimos anos e esse fato traz à

tona questões ambientais cada vez mais relevantes nas discussões associadas à geração de

energia. Uma das formas de geração com menor impacto ambiental é a geração nuclear, a

qual pode ser desenvolvida de duas formas: Fissão ou Fusão. A primeira é a fissão nuclear,

metodologia já utilizada por muitos países no mundo e, apesar do baixo impacto ambiental,

acidentes em usinas nucleares tradicionais por fissão podem representar catástrofes de grande

impacto mundial. A segunda forma de geração nuclear é a geração por meio da fusão de

átomos como o deutério e o trítio, isótopos de hidrogênio, gerando um núcleo de hélio e

liberando energia. Esta forma de geração é baseada numa reação de fusão que se aproxima

muito da reação que ocorre no núcleo do Sol. Tal tecnologia ainda não é dominada e, muito

menos utilizada em grande escala por nenhum país no mundo, o que representa um grande

desafio de engenharia para as próximas gerações.

Diante deste cenário este trabalho tem como objetivo desenvolver uma fonte conceitual que

possa ser utilizada para alimentar uma das bobinas que integram o conjunto de bobinas do

ôhmico e dos campos poloidais, empregado no controle eletromagnético de reatores de fusão

nuclear. Para isso, alguns requisitos técnicos são necessários, como operação em quatro

quadrantes (gerar e regenerar energia), retificação com baixa variação na tensão de saída,

além de capacidades de emular conceitualmente a geração de correntes da ordem de dezenas

de milhares de amperes.

Neste desenvolvimento, foi utilizada a metodologia TRL (Technology Readiness Level) que

avalia a maturidade do projeto. Sendo assim, foram estabelecidas funções críticas para o

projeto que devem ser testadas individualmente, antes que o circuito completo seja montado.

A primeira função foi a utilização de transformadores de delta estendido com defasagens

angulares variando de (-22,5° e 22,5°), segunda função foi a verificação de circuitos auxiliares

para a operação da fonte, como por exemplo, circuitos de zero-cross, medições e driver de

disparos, a terceira função foi estabelecer a comunicação com o controlador escolhido

(myRIO) e, por último, a integração do sistema.

Não foi possível testar o circuito da fonte em sua plenitude, devido a alguns problemas

encontrados durante a montagem do conjunto, contudo, todos as funções críticas foram

testadas individualmente e os resultados demonstraram que os subsistemas possuem a

capacidades para operar de acordo com as necessidades do projeto.