Fuso termonuclear controlada O que um plasma Plasma

Fusão termonuclear controlada

O que é um plasma? Plasma é basicamente um gás ionizado l Uma parte dos átomos do gás está dissociada em íons positivos e elétrons livres l Efeitos coletivos aparecem da interação entre elétrons e íons l

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? l Um plasma é um gás ionizado que apresenta um “comportamento coletivo” l As interações elétricas e magnéticas entre as partículas do plasma têm um longo alcance l Efeitos coletivos aparecem da movimentação das cargas dentro do plasma l Exemplos: blindagem eletrostática

Plasmas são caracterizados: Pela densidade n do gás (em número de partículas por metro cúbico) l Pela temperatura T do gás (em Kelvin) l Tanto n como T podem abranger um grande intervalo l

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. l Partícula alfa: núcleo de um átomo de hélio (dois prótons e dois nêutrons) l

Energia liberada na fusão nuclear l l l l E = M c 2 = 0, 01875 M c 2 E = 2, 818 x 10 -12 J = 17, 59 Me. V 3, 5 Me. V = energia cinética da partícula alfa 14, 1 Me. V = energia cinética do nêutron Em termos macroscópicos: 1 kg de deutério+trítio = 102 k. Wh 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 l Hidrogênio = 99, 98 % (água) l Deutério = 0, 01 % (“água pesada”) l Trítio: instável (não ocorre naturalmente). Vida média = 12 anos (baixa em comparação com os produtos da fissão)= ENERGIA “LIMPA” l 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 l Há uma barreira de repulsão Coulombiana l Seção de choque máxima a 100 ke. V l

PROCESSO § Reação de Fusão Nuclear:

Plasmas de fusão termonuclear Partículas precisam ser confinadas e aquecidas l Necessita-se de um plasma de alta densidade n e temperatura T l : tempo de confinamento l n > 1020 m 3. s com KT = 100 ke. V l

Bomba de hidrogênio = fusão termonuclear descontrolada

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

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

Confinamento magnético Elétrons e íons positivos espiralam ao longo das linhas de campo magnético l R = m v / q B (raio de Larmor) l Curvatura das linhas de campo dá origem a derivas l

EQUIPAMENTOS § Tokamak (Rússia, 1951): § Fusão Termonuclear; § Confinamento Magnético;

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

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

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

TOKAMAK Corrente de plasma toroidal é o secundário de um transformador com núcleo de ferro l Primário alimentado por um banco de capacitores l Aquecimento ôhmico do plasma l

Plasmas típicos de Tokamaks l l l densidade n = 1020 m-3 temperatura eletrônica K T = 1 ke. V comprimento de Debye D = 0, 024 mm volume = 1 – 100 m 3 campo B = 1 – 10 T corrente de plasma = 0, 1 – 5 MA

Histórico dos Tokamaks l Pesquisa secreta na década de 50 (cold war) l Perspectivas iniciais excessivamente otimistas – plasma é altamente INSTÁVEL l 1958: congresso em Genebra – desclassificou a pesquisa em plasma l Primeiros tokamaks: = 1 -10 ms l Anos 80: = 100 ms

Joint European Torus (U. K. )

JET TOKAMAK l l l 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) l Reconstruido no IFUSP l Aquecimento por ondas eletromagnéticas (Alfvén) l

Pesquisa em Fusão l Confinamento é destruído por perdas de energia dos elétrons l A teoria atual não consegue explicar a perda de confinamento. l Equilíbrio do plasma é altamente instável a pequenas perturbações l Instabilidade disruptiva l 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

Exercício l 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 = 200 kg/m³ da esfera é multiplicada por 1000 quando a esfera é atingida pelos pulsos dos lasers. l 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.

l 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?