Fusão termonuclear controlada

Apresentação em tema: "Fusão termonuclear controlada"— Transcrição da apresentação:

1 Fusão termonuclear controlada

2 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

3 Plasma: o quarto estado da matéria

4 ... mas vivemos no 1 % que não é majoritariamente formado por plasma

5 Plasmas também podem ser produzidos em laboratório
Maçarico de plasma

6 Uma chama é um plasma

7 Descargas elétricas atmosféricas também são plasmas

8 Olhe para cima! Você estará “vendo” um plasma!

9 Brinquedos usando plasmas

10 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

11 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

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14 Motivação Estima-se que 99% da matéria conhecida no Universo encontra-se na forma de Plasma

15 Principal Objetivo Obtenção da Fusão Termonuclear Controlada

16 Isótopos do Hidrogênio

17 Reações de fusão mais significativas

18 A fusão pode ser obtida de 3 maneiras diferentes

19 Confinamento Magnético
O tokamak tem apresentado os melhores resultados

20 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)

21 Energia liberada na fusão nuclear
E = M c2 = 0,01875 M c2 E = 2,818 x 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

22 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

23 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

24 PROCESSO Reação de Fusão Nuclear:

25 Plasmas de fusão termonuclear
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

26 Bomba de hidrogênio = fusão termonuclear descontrolada

27 Confinamento gravitacional
Estrelas = plasma de fusão é confinado pelo campo gravitacional intenso Energia da fusão responsável pela luz e calor

28 Confinamento magnético
Partículas carregadas espiralam em volta de linhas de campo magnético Trajetórias helicoidais

29 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

30 EQUIPAMENTOS Tokamak (Rússia,1951): Fusão Termonuclear;
Confinamento Magnético;

31 Confinamento toroidal
Bobinas criam um campo magnético toroidal Linhas de campo fechadas Andrei Sakharov (década de 50)

32 TOKAMAK Acrônimo russo (TOroidalnaya KAmera MAgneticheskaya Katiusha)
Artismovich (50´s) Dois campos magnéticos básicos: toroidal e poloidal

33 TOKAMAK Campo toroidal produzido por bobinas
Campo poloidal produzido pela própria corrente de plasma Campo resultante tem linhas de campo helicoidais fechadas

34 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

35 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

36 Histórico dos Tokamaks
Pesquisa secreta na década de 50 (cold war) Perspectivas iniciais excessivamente otimistas – plasma é altamente INSTÁVEL 1958: congresso em Genebra – desclassifi-cou a pesquisa em plasma Primeiros tokamaks:  = 1-10 ms Anos 80:  = 100 ms

37 Joint European Torus (U.K.)

38 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

39 TFTR (Princeton University)

40 TCABR (Univ. S. Paulo) Construido em Lausanne (Suíça)
Reconstruido no IFUSP Aquecimento por ondas eletromagné-ticas (Alfvén)

41 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

42 Fusão inercial Um tablete é atingido por intensos feixes de laser de alta potência. O tablete implode formando um plasma

43 Fusão inercial NOVA - Japão

44 EQUIPAMENTOS Confinamento Inercial x Magnético

45 FUSÃO NUCLEAR PLANO B PARA A ENERGIA

46 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 kg/mol.

47 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?