FUSÃO NUCLEAR

1. PLANO B PARA A ENERGIA FUSÃO NUCLEAR Física da Poluição do Ar Anderson Alves da Silva, Érick Murilo Villegas, Silvio Luiz Ventavele da Silva, William Kavassaki

2. INTRODUÇÃO • A Fusão Nuclear é um processo físico que, ao contrário da Fissão Nuclear, promove a junção de dois núcleos atômicos leves, obtendo como produto, a formação de um núcleo atômico pesado; • Os Reatores de Fusão Nuclear estão no topo das listas de tecnologias energéticas definitivas para a humanidade, constituindo uma fonte de energia isenta de carbono; • Potencial de geração de 1 GigaWatt de eletricidade de apenas alguns quilogramas de combustível por dia;

3. PROCESSO • Forças de Interação: • Força Coulombiana; • Força Nuclear Forte; • Barreira Coulombiana:Energia fornecida ao sistema para transpor o campo de atuação entre a Força Coulombiana e Força Nuclear Forte, sendo isto possível através de: • Fusão Projétil-Alvo; • Fusão Projétil-Projétil; • Fusão Termonuclear;

4. PROCESSO • Fusão Termonuclear:Elevação da temperatura dos reagentes, promovendo-os ao estado dePLASMA ( Gás Ionizado); • O processo de Fusão Nuclear pode, dependendo da escolha dos reagentes: • Liberar Energia; • Consumir Energia; • Núcleos de elementos leves sofrem fusão mais facilmente do que elementos mais pesados, e liberam como produto, além de um núcleo mais pesado, uma grande quantidade de energia;

5. PROCESSO • Combustível da Fusão Nuclear: • Isótopos de Hidrogênio: • DEUTÉRIO E TRÍTIO –Elementos leves que quando interagem em fusão, possuem a menor Barreira Coulombiana, sendo 0,1 MeV; • Para romper este valor de 0,1 MeV é necessário que o sistema termonuclear seja elevado a uma temperatura de 1 GK;

6. PROCESSO • Técnicas para atingir 1 GK: • Lasers de altíssima potência; • Correntes elétricas de 7 milhões de Àmperes; • Aquecimento base de Rádio Freqüência ou Microondas; • Fatores que contribuem para diminuição do patamar de temperatura: • A temperatura é uma média da Energia Cinética das partículas; • Tunelamento das partículas através de um poço de potencial;

7. PROCESSO • Reação de Fusão Nuclear:

8. EQUIPAMENTOS • PROBLEMA: Devido aos reagentes serem elevados ao estado de plasma e sabendo quetodos os materiais conhecidos vaporizam a uma temperatura bem inferiores à necessária, não há recipiente que possa conter este gás sem que ocorram alterações físicas em seus componentes; • RESPOSTA:Desenvolvimento de técnicas de confinamento do gás, evitando que estes alterem as propriedades dos constituintes do reator: • Confinamento Inercial; • Confinamento Magnético;

9. EQUIPAMENTOS • Confinamento Inercial x Magnético

10. EQUIPAMENTOS • Tokamak (Rússia,1951): • Fusão Termonuclear; • Confinamento Magnético;

11. EQUIPAMENTOS • JET (Inglaterra,1983): • Atingiu estabilidade somente em 1991;

12. EQUIPAMENTOS • Tokamaks recém inaugurados e futuros: • Índia: Projeto SST-1, concluído em 2006; • China: Projeto EAST, concluído em 2006; • Coréia: Projeto K-STAR, conclusão em 2008; • EUA: Projeto NIF, conclusão em 2009; • JAPÃO: Projeto NCT, sem previsão;

13. EQUIPAMENTOS • Projeto ITER: • Iniciado em 1992; • Países colaboradores, inicialmente: • Término de desenho e engenharia em 1998; • Custo estimado de 6 bilhões de doláres; • Custo considerado alto: • Saída dos EUA do grupo dos países investidores e idealizadores;

14. EQUIPAMENTOS • Projeto ITER - Revisão em 2000: • Custo estimado de 3 bilhões de doláres; • Objetivos atuais: • Controlar a fusão dos isótopos de Hidrogênio D-T em Hélio por um tempo suficiente para gerar dez vezes a energia que consome, fato este não atingido pelos outros Tokamaks desenvolvidos; • Testar meios de usar os nêutrons de alta velocidade criados pela reação para gerar o isótopo de Hidrogênio Trítio;

15. EQUIPAMENTOS • Projeto ITER - Revisão em 2000: • Objetivos atuais: • Integrar a grande variedade de tecnologias necessárias para uma usina de fusão comercial, buscando estabelecer as bases experimentais para mostrar que o uso comercial é possível; • Local de Construção: • França; • Previsão de inauguração: • Ano de 2016;

16. EQUIPAMENTOS • Projeto ITER • Colaboradores Atuais:

17. EQUIPAMENTOS • Projeto ITER

18. REAGENTES E PRODUTOS • Reação: D + T  4He + n + 17,6 MeV • Deutério - D: • Elemento não radioativo; • Abundante na natureza: • 01 Núcleo D a cada 3500 moléculas de H2O; • Trítio - T: • Elemento radioativo; • Meia vida de 12,36 anos; • Fabricado no próprio reator;

19. REAGENTES E PRODUTOS • Reação: D + T  4He + n + 17,6 MeV • Nêutron - n: • Altamente energético; • Carrega cerca de 80 % de energia da reação (14 MeV); • Proposta: Desacelerá-lo em uma camada fértil, suficientemente espessa, constituída ao redor do núcleo do reator, contendo como elemento de formação o Li; • Reação: 6Li + n → 4He + T + 4,86 MeV – 92,5% do Li natural 7Li + n → 4He + T - 2,50 MeV – 7,5% do Li natural

20. REAGENTES E PRODUTOS • Reação: D + T  4He + n + 17,6 MeV • Hélio - 4He : • Deverá ser desacelerado e removido do reator; • Partículas Alfa: Quando a potência dissipada por estas partículas for suficiente para manter a temperatura do plasma, a reação se torna auto-sustentada (IGNIÇÃO); • Mantida a temperatura e a densidade do plasma, não será necessário a utilização de acréscimos de energia exterior.

21. REAGENTES E PRODUTOS • Atingido o ponto de IGNIÇÃO tem-se: • A energia liberada pelo reator será maior que a energia necessária para se iniciar a reação de fusão; • Ganho – Q: • Quando Q > 1, o reator produziu mais energia do que consumiu; • Reatores de Fusão Nuclear: • JET: Q = 0,6; • ITER: 5  Q  10; • Reator Comercial: Q  30;

22. VANTAGENS • Os combustíveis básicos, tais como Deutério e Lítio não são radioativos, sendo abundantes na natureza e distribuídos de modo uniforme na crosta terrestre; • A combustão entre os reagentes não poderá ocorrer de forma descontrolada, pois a cessação das reações de fusão poderá ocorrer quando não se injetar mais combustível no reator, terminado os processos em uma fração de segundos;

23. VANTAGENS • Os problemas com os resíduos do processo são limitados, pois não existem rejeitos radioativos oriundos dos mesmos, sendo que o tratamento dos gases emitidos no processo poderá ser feito no local; • A radioatividade dos componentes constituintes do reator, devido a exposição dos mesmos aos nêutrons altamente energéticos e conseqüentes da reação, utilizados para a produção de Trítio, terão de ser armazenados em local apropriado, sendo que o seu tempo de confinamento será bem inferior a cem anos;

24. VANTAGENS • Geração de energia elevada quando comparado o processo de Fusão Nuclear ao Processo de Fissão Nuclear; • Não há emissão de gases estufa que poderiam gerar mudanças climáticas na Terra, constituindo uma fonte de energia limpa; • Integração entre as tecnologias de Fusão e Fissão Nuclear, produzindo Urânio nos reatores Tokamaks, para serem utilizados nas usinas de fissão;

25. DESVANTAGENS • Desvantagens intimamente ligadas a fatores políticos e econômicos; • Investimentos enormes, sem a garantia de sucesso dos resultados a serem alcançados são, portanto, uma aposta que a maioria dos governos não quer assumir, provavelmente devido às necessidades imediatistas e eleitorais dos economistas e políticos, pois os resultados efetivos só seriam observados posteriormente. Desta forma, a pesquisa em fusão nuclear mantém seus recursos limitados.

26. OBSTÁCULOS • Os obstáculos tecnológicos a serem vencidos resultam no desinteresse de muitos países no processo de Fusão Nuclear em larga escala. • Aprimoramento das bobinas supercondutoras, necessárias para aplicação de campos magnéticos elevados, visando o confinamento do plasma; • Desenvolvimento de componentes com excelentes propriedades termo-mecânicas, para revestimento das paredes do reator;

27. OBSTÁCULOS • Estudo aprofundado da produção de Trítio e Urânio no próprio reator; • Estudo aprofundado de meios de purificação dos gases resultantes; • Estudo aprofundado de segurança e impacto ambiental, incluindo tratamento de resíduos e controle de possíveis falhas no processo;

28. PLANO B PARA A ENERGIA FUSÃO NUCLEAR Física da Poluição do Ar Anderson Alves da Silva, Érick Murilo Villegas, Silvio Luiz Ventavele da Silva, William Kavassaki