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 densi-dade 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 – desclassifi-cou 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 eletromagné-ticas (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

FUSÃO NUCLEAR PLANO B PARA A ENERGIA

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?