Aplicações de plasmas - 1Aplicações de plasmas - 1

Fusão Termonuclear Controlada

Prof. Ricardo Viana

Dep. Física - UFPR

Aplicações básicas de Aplicações básicas de plasmasplasmas

Descargas elétricas em gasesFusão termonuclear controladaPlasmas espaciais e astrofísicosPropulsão e geração a plasmasTratamento de materiais

1. Fusão termonuclear 1. Fusão termonuclear controladacontrolada

Fusão nuclearFusão nuclear

Fusão nuclear: dois núcleos leves combinam-se liberando energia

E = m c2 m: defeito de massa

da reação nuclear

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)

Defeito de massa da reação Defeito de massa da reação D + T D + T + n + n

Massa do próton M = 1,673 x 10-27 kgMassa do deutério = (2 – 0,000994) MMassa do trítio = (3 – 0,006284)MMassa da part. alpha = (4 – 0,027404)MMassa do nêutron = (1 + 0,001378)MDefeito de massa total M = (0,027404 +

0,001378) M – (0,000994 + 0,006284) M = 0,01875 M

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

A fusão nuclear pode resolver A fusão nuclear pode resolver o problema da energia o problema da energia

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

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

Garrafas magnéticasGarrafas 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

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

Evolução dos TokamaksEvolução dos Tokamaks

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