SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA Energia Nuclear 2ª Aula 1 NUCLEAR ENERGY Sumário da 2ª aula 1.Estrutura da matéria 2.Reacções Químicas e Reacções Nucleares.

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1 SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA Energia Nuclear 2ª Aula 1 NUCLEAR ENERGY Sumário da 2ª aula 1.Estrutura da matéria 2.Reacções Químicas e Reacções Nucleares 3.Campos eléctrico e magnético 4.Ondas electromagnéticas 5.Energia eléctrica 6.Plasmas: o quarto estado da matéria 7.Confinamento magnético 8.Descrição de uma experiência de plasmas SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA

2 SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA Energia Nuclear 2ª Aula 2 1.ESTRUTURA DA MATÉRIA A matéria é constituída por moléculas, que por sua vez são formadas por átomos, constituídos por um núcleo central que inclui os protões e os neutrões e que está rodeado por electrões que giram à volta do núcleo

3 SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA Energia Nuclear 2ª Aula 3 2. REAÇÕES QUÍMICAS E REAÇÕES NUCLEARES As reações químicas resultam de rearranjos dos átomos das moléculas dos reagentes As reações nucleares implicam alterações ao nivel do(s) núcleo(s) Como as forças de ligação de um núcleo são muito mais intensas que as forças de ligação dos átomos, uma reação nuclear liberta muito mais energia que uma reação química.

4 SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA Energia Nuclear 2ª Aula 4 3. CAMPO ELÉCTRICO E CAMPO MAGNÉTICO Uma carga eléctrica em repouso cria à sua volta um campo eléctrico dado por Uma carga eléctrica com um movimento uniforme com velocidade v cria uma corrente eléctrica e um campo magnético dado por

5 SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA Energia Nuclear 2ª Aula 5 Uma carga eléctrica animada de um movimento não uniforme cria um campo eléctrico e um campo magnético, variáveis no tempo, e que obedecem às Equações de Maxwell

6 SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA Energia Nuclear 2ª Aula 6 4. ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

7 SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA Energia Nuclear 2ª Aula 7 5. ENERGIA ELÉCTRICA

8 SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA Energia Nuclear 2ª Aula 8 PLASMAS ARE THE FOURTH STATE OF THE MATTER ICEWATERWATER VAPOURIONIZED GAS Energy SOLIDLIQUIDGAS PLASMA 6. PLASMAS: THE FOURTH STATE OF THE MATTER 6.1. Introduction Fusion reactions can only occur at high pressures and temperatures (100 million o C for the D-T reaction) at which the fuels are fully ionised in the fourth state of the matter: the plasma state

9 SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA Energia Nuclear 2ª Aula 9 6.2. Ionization

10 SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA Energia Nuclear 2ª Aula 10 6.3. Definition of plasma Plasma is an ionized gas, quasi neutral, with collective behaviour Gas Plasma

11 SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA Energia Nuclear 2ª Aula 11 In the vacuum In a plasma x q r x P r P vacuum plasma r V(r)

12 SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA Energia Nuclear 2ª Aula 12 Individual behaviour q1q1 r The movement of neutral particles is determined by collisions with neighbour particles. Collective behaviour The movement of charged particles is determined by long-range forces, created by charged particles located very far from the test- particle. q2q2 q1q1 q2q2 q2q2 q2q2

13 SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA Energia Nuclear 2ª Aula 13 Quasi Neutral Charge of the electrons charge of the ions A plasma shields any applied potential

14 SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA Energia Nuclear 2ª Aula 14 Debye Length Electron Temperature Plasma Density

15 SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA Energia Nuclear 2ª Aula 15 A charged particle of a plasma moved from its equilibrium position stays oscillating. 6.4. Typical parameters of a Plasma 6.4.1. Plasma Frequency + + + + + + + - - - - - - - + + + + + + + - - - - - - - + + + + + + + - - - + + + + + + + - - - - - - - + + + + + + + - - - + + + + + + + - - - - - - - 6.4.2. Cyclotronic Frequency A charged particle in a magnetic field describes a circular orbit with a radius (Larmor Radius (r L )), with a frequency : r L decreases when the magnetic field increases, meaning that the plasma confinement improves when the intensity of the magnetic field increases

16 SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA Energia Nuclear 2ª Aula 16 x Vector perpendicular to the plane and directed towards inside. Vector perpendicular to the plane and directed towards outside Sentido de rotação da carga eléctrica pode ser determinado usando: - O Princípio da Acção e Reacção - Regra do Saca-Rolhas (SR) + SR B X - B X

17 SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA Energia Nuclear 2ª Aula 17 Electron Ion

18 SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA Energia Nuclear 2ª Aula 18 Not all the ionized gases are plasmas For an ionized gas to be a plasma it is necessary: 6.5. Plasma conditions L » D L …………….. Length of the plasma N D » 1 N D …………… Number of charged particles inside a sphere with a radius equal to D f pe, f ce » f colisão Collision Frequency Cyclotronic Frequency Plasma Frequency

19 SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA Energia Nuclear 2ª Aula 19 Oscilador

20 SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA Energia Nuclear 2ª Aula 20 6.6. Ocorrence of Plasmas -Natural Plasmas - Laboratorial Plasmas - Ionosphere - Cold Plasmas - Solar Wind - Fusion Plasmas - Boureal Auroras -Industrial Applications - Lâmpadas - Surface Treatment - Material Processing - Sterlization of laboratorial equipment - Waste Treatment - Motores de Propulsão - Plasma Welding - Fusion Power Station

21 SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA Energia Nuclear 2ª Aula 21 7. MAGNETIC CONFINEMENT A magnetic field: Does not affect the movement of neutral particles; Obliges the charged particles to have circular orbits around the lines of the magnetic field. Frequência ciclotrónica Intensidade do campo magnético Carga da partícula Massa da partícula Raio da órbitra Componente da velocidade da partícula no plano perpendicular ao campo

22 SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA Energia Nuclear 2ª Aula 22 8. COMPONENTS OF A PLASMA EXPERIMENT Vacuum Chamber Vacuum System (SV) Glass Stainless Steal Rotative Pump Turbomolecular Pump

23 SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA Energia Nuclear 2ª Aula 23 Pressure Measuring System (SMP) Gas Injection System (SIG)

24 SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA Energia Nuclear 2ª Aula 24 Magnetic Field for the Plasma Confinement Natural Magnets Magnets of fio de cobre Magnets of de folhas de cobre Superconducting Magnets

25 SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA Energia Nuclear 2ª Aula 25 Systems for the gas ionization