Fusão termonuclear Fusão termonuclear controladacontrolada

O que é um plasma?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 Plasma: o quarto estado da matériamatéria

... mas vivemos no 1 % que ... mas vivemos no 1 % que não é majoritariamente não é majoritariamente

formado por plasmaformado por plasma

Plasmas também podem ser Plasmas também podem ser produzidos em laboratórioproduzidos em laboratório

Maçarico de plasma

Uma chama é um plasmaUma chama é um plasma

Descargas elétricas Descargas elétricas atmosféricas também são atmosféricas também são

plasmasplasmas

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

Brinquedos usando plasmasBrinquedos usando plasmas

Que é comportamento Que é comportamento coletivo?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: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 Deutério + Trítio = Partícula alfa + nêutron + energia limpaalfa + 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 Energia liberada na fusão nuclearnuclear

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 isótoposAbundância 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 Seção de choque para a reação de fusão nuclearreação 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

Reação de Fusão Nuclear:

PROCESSOPROCESSO

Plasmas de fusão Plasmas de fusão termonucleartermonuclear

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 Bomba de hidrogênio = fusão termonuclear descontroladatermonuclear descontrolada

Confinamento gravitacionalConfinamento gravitacional

Estrelas = plasma de fusão é confinado pelo campo gravitacional intenso

Energia da fusão responsável pela luz e calor

Confinamento magnéticoConfinamento magnético

Partículas carregadas espiralam em volta de linhas de campo magnético

Trajetórias helicoidais

Confinamento magnéticoConfinamento 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

Tokamak (Rússia,1951):

Fusão Termonuclear;Fusão Termonuclear;

Confinamento Magnético;Confinamento Magnético;

EQUIPAMENTOSEQUIPAMENTOS

Confinamento toroidalConfinamento toroidal

Bobinas criam um campo magnético toroidal

Linhas de campo fechadas

Andrei Sakharov (década de 50)

TOKAMAKTOKAMAK

Acrônimo russo (TOroidalnaya KAmera MAgneticheskaya Katiusha)

Artismovich (50´s) Dois campos

magnéticos básicos: toroidal e poloidal

TOKAMAKTOKAMAK

Campo toroidal produzido por bobinas

Campo poloidal produzido pela própria corrente de plasma

Campo resultante tem linhas de campo helicoidais fechadas

TOKAMAKTOKAMAK

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 TokamaksPlasmas 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 TokamaksHistórico dos Tokamaks

Pesquisa secreta na década de 50 (cold war)Perspectivas iniciais excessivamente

otimistas – plasma é altamente INSTÁVEL1958: congresso em Genebra – desclassifi-

cou a pesquisa em plasmaPrimeiros tokamaks: = 1-10 msAnos 80: = 100 ms

Joint European Torus (U.K.)Joint European Torus (U.K.)

JET TOKAMAKJET 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)TFTR (Princeton University)

TCABR (Univ. S. Paulo)TCABR (Univ. S. Paulo)

Construido em Lausanne (Suíça)

Reconstruido no IFUSP

Aquecimento por ondas eletromagné-ticas (Alfvén)

Pesquisa em FusãoPesquisa 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 disruptivaContaminação do plasma por impurezas

Fusão inercialFusão inercial

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

Fusão inercialFusão inercial

NOVA - Japão

EQUIPAMENTOSEQUIPAMENTOS

Confinamento Inercial x Magnético

ExercícioExercícioUma 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?