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Seminário Socio-Economia da Fusão Nuclear IST, 23 de Julho de 2007 1 FUSÃO NUCLEAR: UMA FONTE DE ENERGIA LIMPA, SEGURA E PRATICAMENTE INESGOTÁVEL por Carlos.

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1 Seminário Socio-Economia da Fusão Nuclear IST, 23 de Julho de FUSÃO NUCLEAR: UMA FONTE DE ENERGIA LIMPA, SEGURA E PRATICAMENTE INESGOTÁVEL por Carlos Varandas Professor Catedrático do Instituto Superior Técnico

2 Seminário Socio-Economia da Fusão Nuclear IST, 23 de Julho de SUMÁRIO 1.Introdução 2.Energia nuclear 3.Fusão nuclear 4.Confinamento magnético 5.Configurações magnéticas 6.Central eléctrica de fusão 7.Vantagens da fusão nuclear 8.Conclusões

3 Seminário Socio-Economia da Fusão Nuclear IST, 23 de Julho de Introdução O aumento da população mundial e o desenvolvimento económico, social e tecnológico conduzem ao aumento do consumo de energia As necessidades energéticas da Humanidade têm sido substancialmente satisfeitas com o recurso à queima dos combustíveis fósseis: carvão, petróleo e gás natural. O recurso sistemático aos combustíveis fósseis coloca três problemas sérios: - As reservas naturais são limitadas; - A queima dos combustíveis fósseis liberta gases para a atmosfera que são responsáveis pelas chuvas ácidas e pelo efeito de estufa; CombustívelAnos Carvão 300 Petróleo 40 Gás natural 50 - A dependência do mundo industrializado dos países produtores de petróleo.

4 Seminário Socio-Economia da Fusão Nuclear IST, 23 de Julho de A Humanidade, consciente do impacto dos problemas atrás referidos no ambiente, no clima, no desenvolvimento social e no equilíbrio geo-político, tem procurado encontrar soluções globais para o problema energético. Uma solução global deve contemplar os seguintes aspectos: Flexibilidade RentabilidadeDiversidade Investimento na investigação de novas fontes energéticas: - pilhas de hidrogénio - fusão nuclear Recurso a outras formas de energia - energias renováveis (solar, eólica, biomassa,...) - energia nuclear (fissão) poupança de energia melhoria do rendimento das fontes de energia

5 Seminário Socio-Economia da Fusão Nuclear IST, 23 de Julho de Energia nuclear Existem dois tipos de reacções nucleares que conduzem à libertação de quantidades significativas de energia: - Fissão Desagregação de átomos de um elemento pesado: urânio, plutónio e tório - Fusão Fusão de átomos de dois elementos leves: deutério, trítio (dois isótopos do hidrogénio) e hélio.

6 Seminário Socio-Economia da Fusão Nuclear IST, 23 de Julho de Estas reacções libertam energia porque há redução da massa dos reagentes As reacções de fissão são usadas nas actuais centrais nucleares para produzir energia eléctrica As reacções de fusão ocorrem no Sol e nas outras estrelas. O Homem tenta utilizá-las, de uma forma controlada, nos laboratórios para a produção de energia de fusão, que possa ser utilizada na geração de energia eléctrica. D + T He 4 + n

7 Seminário Socio-Economia da Fusão Nuclear IST, 23 de Julho de Fusão nuclear Principais reacções de fusão nuclear D + T He 4 + n MeV D + D He 4 + n MeV D + D T + H MeV D + He 3 He 4 + H MeV A análise destas reacções e da Figura permite tirar as seguintes conclusões: - A melhor reacção é sem dúvida a que envolve D+He 3 porque: (i) liberta a maior quantidade de energia, e (ii) não produz neutrões. - Contudo, esta reacção não pode ser conseguida num laboratório: (i) os átomos têm de possuir uma energia muito elevada; e (ii) o He 3 é um elemento que não existe na Terra. - A reacção mais fácil de obter num laboratório é a que envolve D-T. Mesmo assim, os reagentes devem estar a temperaturas da ordem dos keV.

8 Seminário Socio-Economia da Fusão Nuclear IST, 23 de Julho de Às temperaturas de keV necessárias para que os núcleos de D e T se possam fundir, vencendo a força de repulsão dos seus núcleos, o Deutério e o Trítio estão ionizados (átomos divididos em iões e electrões), no estado de plasma (quarto estado da matéria). Um plasma é um meio ionizado, quase neutro, com comportamento colectivo - Quase neutro significa que, em qualquer volume do plasma, as cargas positivas e negativas são praticamente iguais. - Comportamento colectivo significa que o movimento das partículas carregadas é influenciado por forças de longo alcance, do tipo da Lei de Coulomb. Há três processos principais para obrigar os átomos de D e T a fundirem-se: - Confinamento gravitacional - Confinamento magnético - Confinamento inercial

9 Seminário Socio-Economia da Fusão Nuclear IST, 23 de Julho de Confinamento magnético O movimento de uma partícula carregada (carga q e massa m) num campo magnético é gerido pela equação em que é a Força de Lorentz A partícula descreve uma trajectória circular em volta das linhas de força do campo magnético, com um raio em que é a componente da velocidade inicial perpendicular a e é a frequência ciclotrónica

10 Seminário Socio-Economia da Fusão Nuclear IST, 23 de Julho de A expressão permite tirar as seguintes conclusões: - Quanto maior for a intensidade do campo magnético, menor é o raio de Larmor, ou seja, maior é o confinamento do meio; - Quanto maior for a massa da partícula, menor é o seu confinamento; - Quanto maior for a temperatura do meio, maior será e portanto menor será o confinamento. Ou seja, quanto mais quente é o plasma, maior tem de ser a intensidade do campo magnético de confinamento. Ião Electrão

11 Seminário Socio-Economia da Fusão Nuclear IST, 23 de Julho de Os campos magnéticos são criados, consoante a sua intensidade, por: - Imans; - Bobinas de cobre, arrefecidas a ar; - Bobinas de cobre, arrefecidas a água ou azoto líquido; - Bobinas supercondutoras. O sentido da rotação da partícula carregada é determinado pelo princípio da acção e reacção.

12 Seminário Socio-Economia da Fusão Nuclear IST, 23 de Julho de Configurações magnéticas Stellarator Tokamak

13 Seminário Socio-Economia da Fusão Nuclear IST, 23 de Julho de ISTTOK JET

14 Seminário Socio-Economia da Fusão Nuclear IST, 23 de Julho de Central eléctrica de fusão

15 Seminário Socio-Economia da Fusão Nuclear IST, 23 de Julho de Vantagens da fusão nuclear Não há libertação de gases para a atmosfera criadores do efeito de estufa e das chuvas ácidas - A fusão será uma tecnologia energética, limpa, poderosa, praticamente inesgotável, segura, amiga do ambiente e economicamente atractiva - Poderosa - Limpa Uma reacção de fusão é 100 vezes mais poderosa que uma reacção de fissão, que por sua vez é vezes mais poderosa que uma reacção química Para produzir 1 MW durante um ano são necessárias 2500 t de carvão, 1500 t de petróleo, 700 t de gás, 25 kg de urânio ou 250 gr. de Deutério

16 Seminário Socio-Economia da Fusão Nuclear IST, 23 de Julho de Os combustíveis (D e T) podem ser facilmente obtidos em qualquer parte da Terra: - O Deutério pode ser extraído da água - O Trítio, elemento radiocativo com uma vida média da ordem de 12.4 anos, pode ser produzido no interior do reactor, usando a reacção de um neutrão com uma camada fértil de Lítio. CombustívelAnos Deutério 3x10 11 Lítio Terra Oceanos 30x10 6 Li 6 + n T + He MeV - Praticamente inesgotável

17 Seminário Socio-Economia da Fusão Nuclear IST, 23 de Julho de Uma central eléctrica de fusão será inerentemente segura devido a duas razões principais: - Não é possível gerar grandes quantidades de energia incontrolada, dado que a quantidade de combustível no interior do reactor é pequena; - As reacções de fusão podem ser quase instantaneamente interrompidas, dado que os combustíveis entram para o reactor à medida que vão sendo utilizados - Segura

18 Seminário Socio-Economia da Fusão Nuclear IST, 23 de Julho de Os produtos das reacções de fusão são cinzas (He 4 ) e neutrões, pelo que não se criam lixos radioactivos, como ocorre numa central de fissão A existência de neutrões conduz à activação das paredes de um reactor de fusão. Uma escolha criteriosa dos materiais usados na construção de um reactor permite prever que esta actividade desapareça ao fim de cerca de 100 anos, um tempo muito curto comparado com os milhares de anos necessários para a descontaminação dos lixos radioactivos de uma central de fissão. Com o desenvolvimento de novos materiais é de esperar que os componentes de um reactor de fusão percam a sua actividade num máximo de 30 a 40 anos. - Amiga do ambiente A operação de rotina de uma central eléctrica de fusão não requer o transporte de material radioactivo fora do reactor.

19 Seminário Socio-Economia da Fusão Nuclear IST, 23 de Julho de A fusão nuclear constitui uma tecnologia energética, com grande potencial, para poder contribuir para uma solução global do problema da energia para um desenvolvimento sustentável da nossa sociedade; 8. CONCLUSÕES Mas, e apesar dos progressos já feitos, ainda não está disponível.


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