Aplicações de plasmas - 1

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 c2 • 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 10-27 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 = (0,027404 + 0,001378) M – (0,000994 + 0,006284) M = 0,01875 M

7. 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

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  > 1020 m3.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 = 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

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