fusão termonuclear controlada fusão termonuclear controlada
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Fusão termonuclear Fusão termonuclear controladacontrolada
O que é um plasma?O que é um plasma?
Plasma é basicamente um gás ionizado
Uma parte dos átomos do gás está dissociada em íons positivos e elétrons livres
Efeitos coletivos aparecem da interação entre elétrons e íons
Plasma: o quarto estado da Plasma: o quarto estado da matériamatéria
... mas vivemos no 1 % que ... mas vivemos no 1 % que não é majoritariamente não é majoritariamente
formado por plasmaformado por plasma
Plasmas também podem ser Plasmas também podem ser produzidos em laboratórioproduzidos em laboratório
Maçarico de plasma
Uma chama é um plasmaUma chama é um plasma
Descargas elétricas Descargas elétricas atmosféricas também são atmosféricas também são
plasmasplasmas
Olhe para cima! Você estará Olhe para cima! Você estará “vendo” um plasma!“vendo” um plasma!
Brinquedos usando plasmasBrinquedos usando plasmas
Que é comportamento Que é comportamento coletivo?coletivo?
Um plasma é um gás ionizado que apresenta um “comportamento coletivo”
As interações elétricas e magnéticas entre as partículas do plasma têm um longo alcance
Efeitos coletivos aparecem da movimentação das cargas dentro do plasma
Exemplos: blindagem eletrostática
Plasmas são caracterizados:Plasmas são caracterizados:
Pela densidade n do gás (em número de partículas por metro cúbico)
Pela temperatura T do gás (em Kelvin)
Tanto n como T podem abranger um grande intervalo
Motivação
Estima-se que 99% da matéria conhecida no Universo encontra-se na forma de Plasma
Principal Objetivo
• Obtenção da Fusão Termonuclear Controlada
Isótopos do Hidrogênio
Reações de fusão mais significativas
• A fusão pode ser obtida de 3 maneiras diferentes
Confinamento Magnético
• O tokamak tem apresentado os melhores resultados
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)
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
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
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
Reação de Fusão Nuclear:
PROCESSOPROCESSO
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
Bomba de hidrogênio = fusão Bomba de hidrogênio = fusão termonuclear descontroladatermonuclear descontrolada
Confinamento gravitacionalConfinamento gravitacional
Estrelas = plasma de fusão é confinado pelo campo gravitacional intenso
Energia da fusão responsável pela luz e calor
Confinamento magnéticoConfinamento magnético
Partículas carregadas espiralam em volta de linhas de campo magnético
Trajetórias helicoidais
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
Tokamak (Rússia,1951):
Fusão Termonuclear;Fusão Termonuclear;
Confinamento Magnético;Confinamento Magnético;
EQUIPAMENTOSEQUIPAMENTOS
Confinamento toroidalConfinamento toroidal
Bobinas criam um campo magnético toroidal
Linhas de campo fechadas
Andrei Sakharov (década de 50)
TOKAMAKTOKAMAK
Acrônimo russo (TOroidalnaya KAmera MAgneticheskaya Katiusha)
Artismovich (50´s) Dois campos
magnéticos básicos: toroidal e poloidal
TOKAMAKTOKAMAK
Campo toroidal produzido por bobinas
Campo poloidal produzido pela própria corrente de plasma
Campo resultante tem linhas de campo helicoidais fechadas
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
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
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
Joint European Torus (U.K.)Joint European Torus (U.K.)
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
TFTR (Princeton University)TFTR (Princeton University)
TCABR (Univ. S. Paulo)TCABR (Univ. S. Paulo)
Construido em Lausanne (Suíça)
Reconstruido no IFUSP
Aquecimento por ondas eletromagné-ticas (Alfvén)
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
Fusão inercialFusão inercial
Um tablete é atingido por intensos feixes de laser de alta potência. O tablete implode formando um plasma
Fusão inercialFusão inercial
NOVA - Japão
EQUIPAMENTOSEQUIPAMENTOS
Confinamento Inercial x Magnético
ExercícioExercícioUma esfera de combustível de um reator de fusão
a laser contém números iguais de átomos de deutério e trítio ( e nenhum outro material). A massa específica d = 200kg/m³ da esfera é multiplicada por 1000 quando a esfera é atingida pelos pulsos dos lasers.
A) Quantas partículas por unidade de volume a esfera contém no estado comprimido? A massa molar Md dos átomos de deutério é 2 .10^-3 kg/mol, e a massa molar Mt dos átomos de trítio é 3 . 10^ -3 kg/mol.
B) De acordo com o critério de Lawson, quanto tempo essa massa específica deve ser mantida para que a produção de energia seja igual ao consumo?