Fusão nuclear controlada: uma fonte da energia para o futuro. Prof. Dr Milan Lalic Departamento de Física - UFS

Transcrição

1 Fusão nuclear controlada: uma fonte da energia para o futuro Prof. Dr Milan Lalic Departamento de Física - UFS

2 Disponibilidade de energia: um requisito essencial para o crescimento econômico e a melhora da qualidade de vida. Fontes atuais da energia: Combustíveis fósseis (carvão, petróleo, gás natural) 85,5% Hidroeletricidade Energia nuclear (fissão) 6,6% 6,5% Outras fontes (geotérmica, solar, eólica, madeira... ) 1,4%

3 Demanda vs Disponibilidade de energia

4 Opções de energia a longo prazo Energia Solar: irregular e distribuída de forma não uniforme. Estimativas otimistas 1/3 das necessidades futuras de energia. Fissão Nuclear: problemas de armazenamento adequado do lixo nuclear. Fusão Nuclear: boa solução, mas ainda não viável.

5 Estrutura do átomo De onde vem a energia nuclear? Do núcleo! nêutron próton Interação entre nucleons -- eletromagnética -- forte

6 Por que os nucleons (prótons, nêutrons) se unem em um núcleo? Porque nesse estado eles têm menor energia! + energia de ligação Einstein: E=mc 2 --> a massa e a energia são duas formas da mesma entidade Diferença de massas: Δm=0,0304 u Energia de ligação: E=Δmc 2 = 28,3 MeV

7 Energia de ligação per nucleon = (energia de ligação total) (número de nucleons) Conclusão: fissão e fusão nuclear em princípio podem render a energia!

8 Fissão nuclear: o núcleo de um elemento pesado é dividido produzindo dois núcleos mais leves. Um dos principais átomos usados para fissão: isótopo 235 U 235 U + 1 nêutron 236 U 2 nêutrons + 92 Kr Ba + ENERGIA 235 U + 1 nêutron 236 U 2 nêutrons + 94 Sr Xe + ENERGIA...

9 Fissão nuclear: reação em cadeia Reação: - controlada (usinas nucleares) - descontrolada (bomba atômica)

10 Fissão nuclear: reação controlada Número médio de nêutrons por fissão: <1: reação não ocorre >1: reação não é controlada Usinas nucleares: excesso de nêutrons é absorvido pelas varetas de Cd ou B. Realização concreta: -- energia aplicada fissão nuclear energia obtida -- energia obtida > energia aplicada rendimento da energia -- O processo é praticamente viável (usinas nucleares)

11 Fissão nuclear: problemas Combustível (U) é raro e caro. Produtos de fissão são radioativos por séculos (problemas com armazenamento de combustível desgastado) Há risco de acidentes (Chernobyl, Three Miles Island ) Poluição do meio ambiente

12 Fusão nuclear: dois ou mais núcleos atômicos se juntam e formam um outro núcleo de maior número atômico. A fusão nuclear é o processo que gera a energia das estrelas. Caroço das estrelas: condições tão severas (temperatura, pressão, densidade) que permitem fusão dos elementos leves e produção dos elementos pesados.

13 Fusão nuclear: possibilidades para execução na Terra D2 + T3 -> (He4 + 3,52 MeV) + (n + 14,06 MeV) Energia liberada por uma fusão: 17,58 MeV Isótopos de Hidrogênio: Realização concreta: -- energia aplicada fusão nuclear energia obtida -- energia obtida < energia aplicada -- O processo ainda não é praticamente viável. Vale a pena investir em reatores de fusão?

14 1. Rendimento da energia é maior do que no caso da fissão. 1kg de combustível: energia suficiente para satisfazer as necessidades anuais de 676 pessoas nos USA.

15 2. Abundância de combustível -- Deutério pode ser extraído de todas as formas de água (10g de 500 litros). Reservas para milhões de anos. -- Trício não existe em natureza. Tem que ser extraído do Lítio (15g de trício vem de 30g de lítio). -- Lítio: bastante presente na crosta terrestre. Reservas para milhares de anos. 500 litros de água + 30g de lítio: produz energia para uma pessoa suficiente para vida inteira!

16 3. Segurança Condições de realizar a fusão são difíceis de atingir. Qualquer desvio resultará no término rápido do processo. Riscos de acidentes são mínimos. 4. Preservação do meio ambiente -- Não haverá emissão dos gases que provocam o efeito da estufa -- Não haverá problemas de radioatividade (produtos da fusão não são radioativos). Com aprendizagem de controlar fusão, os ganhos são enormes. Certamente vale a pena investir em fusão!!!

17 Fusão nuclear controlada: realização concreta Tarefa básica: aproximar uma grande quantidade de núcleos de deutério e trício e guardá-los juntos por tempo suficiente para que a fusão renda a energia! Problema principal: superar a repulsão entre as partículas com a mesma carga Passo 1: tirar os elétrons, aumentando a temperatura do gás de átomos Passo 2: aproximar os núcleos aumentando suas energias cinéticas; isso leva a um novo aumento da temperatura!

18 Os cálculos mostram: fusão ocorre em taxa suficiente para temperaturas 100 milhões de Kelvin Nessa condições teremos um gás quente de partículas carregadas: plasma!

19 Condições para que a fusão economicamente lucrativa ocorra: 3 parâmetros: -- temperatura do plasma -- densidade do plasma -- tempo de confinamento do plasma têm que ser simultaneamente atingidos. Produto desses 3 parâmetros tem que exceder um certo valor para que a fusão pode render a energia (critério de Lawson) Temperatura ~ milhões de K Densidade ~ 2-3 x partículas per m 3 Tempo de conf. ~ 1-2 segundos

20 Como aquecer o plasma para temperaturas milhões de K? Essa tarefa pode ser executada com sucesso!

21 Como confinar o plasma por tempo de 1-2 s? Nenhum material pode resistir a temperatura do plasma! Um campo magnético pode ajudar! O campo magnético pode guardar o plasma longe das paredes. Configuração mais promissora: configuração toroidal dos campos magnéticos. A tarefa ainda não é executada da maneira satisfatória!

22 TOKAMAK (TOроидальная KAмера в MAгнитных Kатушкаx) (toroidal chamber in magnetic coils) Campo toroidal: produz o campo ao redor de toroide; mecanismo primário de confinamento. Campo poloidal: ajuda o plasma manter a forma e a estabilidade.

23 TFTR: Tokamak Fusion Test Reactor, Princeton, USA JET: Joint European Torus, Culham, UK: maior TOKAMAK para a pesquisa Até agora produzem só 70% da energia necessária para aquecer o plasma. - Temperatura é atingida - Densidade é adequada - Tempo de confinamento não é suficiente! Ainda não há rendimento de energia!

24 JET por dentro Filminho

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26 Perspectivas Futuras ITER: International Thermonuclear Experimental Reactor Projeto internacional com objetivo de demonstrar a viabilidade científica e econômica de fusão nuclear Construção de um TOKAMAK no sul da França, em Cadarache. Participantes: União Européia, Rússia, Estados Unidos, Japão, China, Índia e Coréia do Sul. Investimento inicial: 10 bilhões de euros Objetivo: produzir entre dez a cinco vezes mais energia que o necessário para manter o plasma a temperaturas de fusão, demonstrando assim a viabilidade da energia de fusão Previsão: produção comercial da energia nuclear dentro de 50 anos

27 A visão noturna da Terra

28 Reações que liberam energia Química Fissão Fusão Exemplos de reação Combustível Típico Temperatura para reação (C) Energia liberada por kg de Combustível (J/kg) C+O 2 - >CO 2 Carvão n+u >Ba 143 +Kr n UO 2 (3% U % U 238 ) H 2 +H 3 - >He 4 + n Deutério & Lítio 3, , ,