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Aplicações de plasmas - 1 Fusão Termonuclear Controlada Prof. Ricardo Viana Dep. Física - UFPR.

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1 Aplicações de plasmas - 1 Fusão Termonuclear Controlada Prof. Ricardo Viana Dep. Física - UFPR

2 Aplicações básicas de plasmas Descargas elétricas em gases Fusão termonuclear controlada Plasmas espaciais e astrofísicos Propulsão e geração a plasmas Tratamento de materiais

3 1. Fusão termonuclear controlada

4 Fusão nuclear Fusão nuclear: dois núcleos leves combinam-se liberando energia E = m c 2 m: defeito de massa da reação nuclear

5 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)

6 Defeito de massa da reação D + T + n Massa do próton M = 1,673 x kg Massa do deutério = (2 – 0,000994) M Massa do trítio = (3 – 0,006284)M Massa da part. alpha = (4 – 0,027404)M Massa do nêutron = (1 + 0,001378)M Defeito de massa total M = (0, ,001378) M – (0, ,006284) M = 0,01875 M

7 Energia liberada na fusão nuclear E = M c 2 = 0,01875 M c 2 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 = 10 2 kWh de energia Equivale a um dia de operação de uma usina hidrelétrica de 1 GW Comparação: Usina de Itaipú = 12,6 GW

8 A fusão nuclear pode resolver o problema da energia

9 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

10 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

11 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 > m 3.s com KT = 100 keV

12 Bomba de hidrogênio = fusão termonuclear descontrolada

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

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

15 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

16 Garrafas magnéticas Linhas de campo magnético são abertas Campo magnético não-homogêneo Efeito espelho magnético: r decresce com o aumento de B até refletir a partícula

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

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

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

20 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

21 Plasmas típicos de Tokamaks densidade n = m -3 temperatura eletrônica K T = 1 keV comprimento de Debye D = 0,024 mm volume = 1 – 100 m 3 campo B = 1 – 10 T corrente de plasma = 0,1 – 5 MA

22 Evolução dos Tokamaks

23 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

24 Joint European Torus (U.K.)

25 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

26 TFTR (Princeton University)

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

28 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

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

30 Fusão inercial NOVA - Japão


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