aplicações de plasmas - 1 fusão termonuclear controlada prof. ricardo viana dep. física - ufpr
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Aplicações de plasmas - 1Aplicações de plasmas - 1
Fusão Termonuclear Controlada
Prof. Ricardo Viana
Dep. Física - UFPR
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Aplicações básicas de Aplicações básicas de plasmasplasmas
Descargas elétricas em gasesFusão termonuclear controladaPlasmas espaciais e astrofísicosPropulsão e geração a plasmasTratamento de materiais
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1. Fusão termonuclear 1. Fusão termonuclear controladacontrolada
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Fusão nuclearFusão nuclear
Fusão nuclear: dois núcleos leves combinam-se liberando energia
E = m c2 m: defeito de massa
da reação nuclear
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Deutério + Trítio = Partícula Deutério + Trítio = Partícula alfa + nêutron + energia limpaalfa + nêutron + energia limpa
Deutério e trítio: isótopos do H (um próton) com um e dois nêutrons, resp.
Partícula alfa: núcleo de um átomo de hélio (dois prótons e dois nêutrons)
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Defeito de massa da reação Defeito de massa da reação D + T D + T + n + n
Massa do próton M = 1,673 x 10-27 kgMassa do deutério = (2 – 0,000994) MMassa do trítio = (3 – 0,006284)MMassa da part. alpha = (4 – 0,027404)MMassa do nêutron = (1 + 0,001378)MDefeito de massa total M = (0,027404 +
0,001378) M – (0,000994 + 0,006284) M = 0,01875 M
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Energia liberada na fusão Energia liberada na fusão nuclearnuclear
E = M c2 = 0,01875 M c2
E = 2,818 x 10-12 J = 17,59 MeV 3,5 MeV = energia cinética da partícula alfa 14,1 MeV = energia cinética do nêutron Em termos macroscópicos: 1 kg de deutério+trítio
= 102 kWh de energia Equivale a um dia de operação de uma usina
hidrelétrica de 1 GW Comparação: Usina de Itaipú = 12,6 GW
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A fusão nuclear pode resolver A fusão nuclear pode resolver o problema da energia o problema da energia
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Abundância dos isótoposAbundância dos isótopos
Hidrogênio = 99,98 % (água)Deutério = 0,01 % (“água pesada”)Trítio: instável (não ocorre naturalmente).
Vida média = 12 anos (baixa em comparação com os produtos da fissão)= ENERGIA “LIMPA”
Nêutron + Lítio pode gerar o trítio necessário para a reação auto-sustentada
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Seção de choque para a Seção de choque para a reação de fusão nuclearreação de fusão nuclear
A reação nuclear é feita por colisão D + T
Há uma barreira de repulsão Coulombiana
Seção de choque máxima a 100 keV
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Plasmas de fusão Plasmas de fusão termonucleartermonuclear
Partículas precisam ser confinadas e aquecidas
Necessita-se de um plasma de alta densi-dade n e temperatura T
: tempo de confinamento
n > 1020 m3.s com KT = 100 keV
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Bomba de hidrogênio = fusão Bomba de hidrogênio = fusão termonuclear descontroladatermonuclear descontrolada
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Confinamento gravitacionalConfinamento gravitacional
Estrelas = plasma de fusão é confinado pelo campo gravitacional intenso
Energia da fusão responsável pela luz e calor
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Confinamento magnéticoConfinamento magnético
Partículas carregadas espiralam em volta de linhas de campo magnético
Trajetórias helicoidais
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Confinamento magnéticoConfinamento magnético
Elétrons e íons positivos espiralam ao longo das linhas de campo magnético
R = m v / q B (raio de Larmor)
Curvatura das linhas de campo dá origem a derivas
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Garrafas magnéticasGarrafas magnéticas
Linhas de campo magnético são abertas
Campo magnético não-homogêneo
Efeito espelho magnético: r decresce com o aumento de B até refletir a partícula
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Confinamento toroidalConfinamento toroidal
Bobinas criam um campo magnético toroidal
Linhas de campo fechadas
Andrei Sakharov (década de 50)
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TOKAMAKTOKAMAK
Acrônimo russo (TOroidalnaya KAmera MAgneticheskaya Katiusha)
Artismovich (50´s) Dois campos
magnéticos básicos: toroidal e poloidal
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TOKAMAKTOKAMAK
Campo toroidal produzido por bobinas
Campo poloidal produzido pela própria corrente de plasma
Campo resultante tem linhas de campo helicoidais fechadas
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TOKAMAKTOKAMAK
Corrente de plasma toroidal é o secundário de um transformador com núcleo de ferro
Primário alimentado por um banco de capacitores
Aquecimento ôhmico do plasma
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Plasmas típicos de TokamaksPlasmas típicos de Tokamaks
densidade n = 1020 m-3
temperatura eletrônica K T = 1 keV
comprimento de Debye D = 0,024 mm
volume = 1 – 100 m3
campo B = 1 – 10 T corrente de plasma =
0,1 – 5 MA
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Evolução dos TokamaksEvolução dos Tokamaks
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Histórico dos TokamaksHistórico dos Tokamaks
Pesquisa secreta na década de 50 (cold war)Perspectivas iniciais excessivamente
otimistas – plasma é altamente INSTÁVEL1958: congresso em Genebra – desclassifi-
cou a pesquisa em plasmaPrimeiros tokamaks: = 1-10 msAnos 80: = 100 ms
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Joint European Torus (U.K.)Joint European Torus (U.K.)
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JET TOKAMAKJET TOKAMAK
Raio menor = 1,5 m Maior Tokamak do
mundo até os anos 90 = 1 s (pulsado) atingiu o ponto de
“breakeven”: energia gasta = energia liberada
atualmente desativado
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TFTR (Princeton University)TFTR (Princeton University)
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TCABR (Univ. S. Paulo)TCABR (Univ. S. Paulo)
Construido em Lausanne (Suíça)
Reconstruido no IFUSP
Aquecimento por ondas eletromagné-ticas (Alfvén)
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Pesquisa em FusãoPesquisa em Fusão
Confinamento é destruído por perdas de energia dos elétrons
A teoria atual não consegue explicar a perda de confinamento.
Equilíbrio do plasma é altamente instável a pequenas perturbações
Instabilidade disruptivaContaminação do plasma por impurezas
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Fusão inercialFusão inercial
Um tablete é atingido por intensos feixes de laser de alta potência. O tablete implode formando um plasma
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Fusão inercialFusão inercial
NOVA - Japão