Apresentação Fusão Nuclear

Fusão termonuclear
controlada
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
matéria
... mas vivemos no 1 % que
não é majoritariamente
formado por plasma
Plasmas também podem ser
produzidos em laboratório
Maçarico de plasma
Uma chama é um plasma
Descargas elétricas
atmosféricas também são
plasmas
Olhe para cima! Você estará
“vendo” um plasma!
Brinquedos usando plasmas
Que é comportamento
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:

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
alfa + 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
nuclear







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 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
reação 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
PROCESSO
 Reação de Fusão Nuclear:
Plasmas de fusão
termonuclear

Partículas precisam ser
confinadas e aquecidas
 Necessita-se de um
plasma de alta densidade n e temperatura T
 : tempo de
confinamento
 n  > 1020 m3.s com
KT = 100 keV
Bomba de hidrogênio = fusão
termonuclear descontrolada
Confinamento gravitacional

Estrelas = plasma de
fusão é confinado pelo
campo gravitacional
intenso
 Energia da fusão
responsável pela luz e
calor
Confinamento magnético

Partículas carregadas
espiralam em volta de
linhas de campo
magnético

Trajetórias helicoidais
Confinamento 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
EQUIPAMENTOS
 Tokamak (Rússia,1951):
 Fusão Termonuclear;
 Confinamento Magnético;
Confinamento toroidal

Bobinas criam um
campo magnético
toroidal
 Linhas de campo
fechadas
 Andrei Sakharov
(década de 50)
TOKAMAK

Acrônimo russo
(TOroidalnaya
KAmera
MAgneticheskaya
Katiusha)
 Artismovich (50´s)
 Dois campos
magnéticos básicos:
toroidal e poloidal
TOKAMAK

Campo toroidal
produzido por bobinas
 Campo poloidal
produzido pela própria
corrente de plasma
 Campo resultante tem
linhas de campo
helicoidais fechadas
TOKAMAK

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 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 Tokamaks

Pesquisa secreta na década de 50 (cold war)
 Perspectivas iniciais excessivamente
otimistas – plasma é altamente INSTÁVEL
 1958: congresso em Genebra – desclassificou a pesquisa em plasma
 Primeiros tokamaks:  = 1-10 ms
 Anos 80:  = 100 ms
Joint European Torus (U.K.)
JET 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)
TCABR (Univ. S. Paulo)

Construido em
Lausanne (Suíça)
 Reconstruido no
IFUSP
 Aquecimento por
ondas eletromagnéticas (Alfvén)
Pesquisa 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 disruptiva
 Contaminação do plasma por impurezas
Fusão inercial
Um tablete é atingido por intensos feixes de laser de alta
potência. O tablete implode formando um plasma
Fusão inercial
NOVA - Japão
EQUIPAMENTOS
 Confinamento Inercial x Magnético
Exercício

Uma 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?