Fusão termonuclear controlada

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1 Fusão termonuclear controlada Edson Del Bosco Laboratório Associado de Plasma - LAP Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE bosco@plasma.inpe.br III Encontro de Verão de Física do ITA Instituto Tecnológico da Aeronáutica ITA/CTA 18 a 22 de fevereiro de 2008

2 Tópicos Edson Del Bosco LAP/INPE Energia Energia nuclear Fusão nuclear Processos de obtenção Confinamento magnético Tokamak Reator de fusão ITER Fusão no Brasil

3 Energia Energia nuclear Fusão nuclear Processos de obtenção Confinamento magnético Tokamak Reator de fusão ITER Fusão no Brasil

4 Energia Questão energética Problemas e soluções que afetam as decisões na área de energia Taxa de crescimento populacional Crescimento de países em desenvolvimento (China, Índia, Brasil) Qualidade de vida (consumo de energia per capita) Meio ambiente (efeito estufa CO 2 chuva ácida enxofre) Recursos reais de combustíveis e novas tecnologias de extração Novas tecnologias de conservação (eficiência) e de geração de energia Tecnologias mais eficazes de armazenamento de energia e de rejeitos Interesses políticos & econômicos Guerras & catástrofes Assunto com muitas incertezas e extremamente polêmico

5 Energia Taxa de consumo de energia Valores do ano Potência instalada: ~13,3TW - População: 6,08 Bilhões - Consumo médio: 2,2 kw/p Possível cenário para o ano População: 10 Bilhões - Consumo médio: 3 kw/p Necessidade ~ 30 TW (1T = ) Exemplos de consumo de energia EUA Suíça Japão Brasil Índia 12 kw/p 6 kw/p 5 kw/p 1,8 kw/p 0,2 kw/p

6 Energia Problemas das fontes atuais Fontes primárias de energia (2002) - Petróleo: 37,9% - Carvão: 24,1% - Gás: 23,5% - Nuclear (Urânio): 6,63% - Hidroelétrica: 6,56% - Outras (solar, vento, etc): 1,31% Fossil: 85,5% Problemas Reservas limitadas: petróleo Efeitos nocivos ao meio ambiente (CO, CO 2, chuva ácida): fósseis Efeitos ecológicos de grande escala: hidroelétrica, biomassa Fontes localizadas e não constantes: solar, eólica, hidroelétricas Alto potencial de destruição (ameaça ao meio ambiente): fissão nuclear Pequena escala: solar, eólica, geotérmica Armazenamento: solar, eólica Existe espaço e motivação para a busca de novas fontes de energia

7 Energia Energia nuclear Fusão nuclear Processos de obtenção Confinamento magnético Tokamak Reator de fusão ITER Fusão no Brasil

8 Energia nuclear Energia de empacotamento Energia de empacotamento ou de ligação Binding é a energia equivalente à diferença entre a massa do núcleo formado e a soma das massas individuais dos seus constituintes (prótons e nêutrons) Quanto maior a energia de empacotamento por núcleon mais estável é o átomo (núcleo) Energia nuclear é liberada nas reações que resultam num aumento da energia de empacotamento: - fissão de elementos pesados - fusão de elementos leves Edson Del Bosco LAP/INPE

9 Energia nuclear E = mc 2 B/A = (Z m p + N m n M a ) c 2 / A Equação de Einstein Massa de repouso dos constituintes Massa de repouso do núcleo formado n Nêutron 1, u p Próton 1, u D Deutério 2, u T Trítio 3,01550 u He-3 Hélio 3 3, u He-4 Hélio - 4 4, u - 1 u (unidade de massa atômica) = 1,66054 x kg = 931,466 MeV/c 2 - c = 2,9979x10 8 m/s A fissão de um átomo de urânio libera 208 MeV 0,88 MeV / núcleon A fusão de 4 átomos de hidrogênio libera ~25 MeV 6,25 MeV / núcleon

10 Energia nuclear Fissão A energia nuclear está associada à energia de fissão (fatores históricos) A fissão foi descoberta no ano de 1939 bombardeando-se U 235 (abundância de apenas 0,7%) com nêutrons de baixa energia (0,025 ev) Reação de fissão típica: on U Kr Ba o n 1

11 Energia nuclear Fissão na matriz energética Angra 1 e 2 ~2 GW Angra 3 ~1,35 GW ( construção: até 2013 custo: US$ 4,5Bi ) Edson Del Bosco LAP/INPE

12 Energia Energia nuclear Fusão nuclear Processos de obtenção Confinamento magnético Tokamak Reator de fusão ITER Fusão no Brasil

13 Fusão nuclear Ocorrência Fusão é o processo de obtenção de energia mais importante do universo O Sol e todas as estrelas conhecidas produzem energia via fusão de elementos leves ( Sol: ciclo do próton próton) A vida na Terra e todas as outras formas de energia têm origem na fusão O objetivo das pesquisas em fusão trazer para Terra a mesma fonte de energia existente nas estrelas

14 Fusão nuclear Deutério/trítio Dentre as mais de 80 reações de fusão possíveis, a que envolve os dois isótopos de hidrogênio (Deutério e Trítio) é a mais atrativa e certamente será a escolhida para alimentar o primeiro reator de fusão na Terra D + T 4 He (3,517 MeV) + n (14,069 MeV) 1 kg de (D + T) pode liberar 10 8 kwh de energia usina de 1GW por 1 dia

15 Fusão nuclear Combustíveis para a fusão Deutério (D): isótopo estável com abundância de 1 parte em 6700 (30g/m 3 ) Trítio (T): isótopo radioativo (T 1/2 = 12,3 anos) decaimento beta para 3 He D praticamente inesgotável: obtido de águas de lagos e oceanos T não existe na natureza e deve ser produzido artificialmente A principal fonte de trítio é o lítio através do bombardeamento por nêutrons 6 Li + n (lentos) T + 4 He + 4,8 MeV 7 Li + n (rápidos) T + 4 He + n (lentos) 2,5 MeV Os combustíveis para um reator de fusão são: Deutério e Lítio Custo: D U$1000/kg 6 Li U$40/kg Reservas: (na taxa atual de consumo) D > Milhões de anos 6 Li > anos (crosta)

16 Fusão nuclear Vantagens e desvantagens Produção em larga escala Combustível abundante e barato Vantagens: Efeitos mínimos ao meio ambiente Fonte universal Lixo radioativo de pequena meia-vida Inerentemente segura Não necessita armazenamento Necessita pesquisa Desvantagens: Radioatividade do trítio Grande fluência de neutros de alta energia Transmutação radioativa (novos materiais)

17 Fusão nuclear Comparações de consumo Consumo de combustível aproximado para operar uma usina de 1GW por um ano Fusion 0.6 tonnes 1 pickup Fission 150 tonnes of Uranium 8 large trucks Oil 10 Million of Barrels 7 super tankers Coal 2.1 Million of tonnes 191 trains with 110 cars each

18 Energia Energia nuclear Fusão nuclear Processos de obtenção Confinamento magnético Tokamak Reator de fusão ITER Fusão no Brasil

19 Processos de obtenção Estrelas/Laboratório No Universo: O Sol produz fusão devido à enorme força gravitacional (100 vezes maior que a densidade da água na Terra) e com temperaturas da ordem de milhões o C (núcleo) cadeia próton-próton Fusão por confinamento magnético (MCF) Em laboratório: Fusão por confinamento inercial (ICF) Catalização por múon Fusão a frio

20 Processos de obtenção Confinamento inercial Minúsculas porções de D/T sólidos são rapidamente comprimidos e aquecidos por ondas de choque provenientes de laser de alta potência (aplicação militar) As partículas são confinadas pela própria inércia Fusão por Confinamento Inercial ( ICF): n T

21 Processos de obtenção Confinamento magnético Partículas carregadas são aquecidas e confinadas em geometrias apropriadas por campos eletromagnéticos intensos que impedem o contato das mesmas com as paredes da câmara de vácuo por um determinado tempo Fusão por Confinamento Magnético (MCF): n T

22 Processos de obtenção Comparação

23 Energia Energia nuclear Fusão nuclear Processos de obtenção Confinamento magnético Tokamak Reator de fusão ITER Fusão no Brasil

24 Confinamento magnético Plasma Energia é necessária para ultrapassar a barreia de potencial da força repulsiva de Coulomb existente entre dois núcleos (prótons) carregados: U = e 2 / 4πε o r O método mais promissor baseia-se no aquecimento dos íons a temperaturas suficientemente altas de forma que a energia térmica dos mesmos sobreponha a barreira de Coulomb ocasionando a reação de fusão 10 kev cerca de 100 milhões o C para Deutério/Trítio Plasma (1eV = o K)

25 Confinamento magnético Plasma magnetizado Uma característica importante do plasma é que sendo composto por partículas carregadas sofre o efeito de campos elétricos e magnéticos Plasma não magnetizado As partículas estão livres Plasma magnetizado As partículas estão confinadas ω cj α e j (B / m j ) r Lj α (v Tj / ω cj )

26 Confinamento magnético - Theta pinch Linear: - Z-Pich - Espelho magnético Espelho Toroidal: Esquemas - Tokamak - Stellarator - Reversed field pinch - Tokamak esférico -pinch Z-pinch Stellerator

27 Energia Energia nuclear Fusão nuclear Processos de obtenção Confinamento magnético Tokamak Reator de fusão ITER Fusão no Brasil

28 Tokamak Histórico Primeiros experimentos de fusão nuclear em máquinas de confinamento magnético remontam ao final da década de 1940 Após 1958 as pesquisas em confinamento magnético tornam-se públicas Em 1968, na Conferência de Novosibirsk, cientistas Russos do Kurchatov Institute anunciam valores de temperatura da ~1keV no tokamak T-3 Em 1969 estes resultados foram confirmados no tokamak T-3, por cientistas de Culham/UK, utilizando a técnica de espalhamento Thomson Nos anos 1970 inicia-se a corrida nas pesquisas em fusão com o aparecimento de diversas máquinas tipo tokamak na Europa, EUA e Japão Na década de 1980 são estabelecidas as grandes máquinas (JET, TFTR, JT- 60) com uma forte cooperação internacional Atualmente encontra-se em construção do ITER (primeiro protótipo de reator a fusão)

29 Tokamak Princípio de funcionamento A palavra tokamak é um acrônimo das palavras em Russo: toroidalnaya kamera magnitnaya katushka (câmara toroidal com bobina magnética) - Campo Toroidal: produzido por bobinas poloidais ao redor da câmara de vácuo - Campo Poloidal: produzido pela corrente de plasma (que também aquece o plasma) - Campo de Equilíbrio: criado por bobinas na direção toroidal - Corrente de Plasma: gerada pelo primário (solenóide) de um transformador Edson Del Bosco LAP/INPE

30 Tokamak Características Principal propriedade superfícies magnéticas toroidais fechadas formadas por linhas de campo magnético helicoidais com diferentes passos (magnetic shear) formando uma gaiola que confina o plasma Parâmetros típicos Volume do plasma m 3 Massa total do plasma gr Densidade de íons m -3 Temperatura 1 40 kev Pressão (α N x T) 0,1 5 atm Velocidade térmica dos íons km/s Velocidade térmica dos elétrons 0,01c 0,1c Campo magnético toroidal 1 7 T Corrente de plasma total 0,1 7 MA

31 Tokamak JET Joint European Torus (maior tokamak em operação) 1971: Decisão para construção 1973: Início do projeto 1983: Primeiro plasma Raio maior 2,96m Raio menor Duração do pulso Campo toroidal Corrente de plasma Aquecimento auxiliar Temperatura dos íons Confinamento de energia 2,1x1,25m 20 60s 3,4 4 T 2 7MA 25 36MW 40keV ~ 2s

32 Tokamak Diagnósticos no JET

33 Tokamak Disparo típico Evolução temporal de alguns parâmetros do plasma num disparo típico do tokamak MAST da Inglaterra

34 Tokamak Filme do plasma Emissão de luz do tokamak MAST obtida com câmera CCD rápida (300ms) Edson Del Bosco LAP/INPE

35 Energia Energia nuclear Fusão nuclear Processos de obtenção Confinamento magnético Tokamak Reator de fusão ITER Fusão no Brasil

36 Reator de fusão Parâmetro para fusão Parâmetro de fusão ou triplo produto é definido por: n T i E n: densidade [m -3 ] reação de fusão: α n 2 (10-4 g/m 3 ) T i : temperatura dos íons [kev] agitação térmica necessária à fusão E: tempo de confinamento de energia (W térm / P perdida. ) [s] isolação térmica Fator de ampliação: Q = P fusão / P aquecimento Breakeven: a potência liberada pela fusão é igual a potência gasta para gerar e manter o plasma (não há ganho: Q=1) Ignição: a potência necessária para manter o plasma é proveniente apenas da potência gerada pelas partículas alfa (20%) P aquecimento = 0 e Q = h Condição de ignição (50%D + 50%T): - n T i E > 6 x m -3 kev s - 10 kev < T i < 20 kev Exemplo: n = m -3 E = 2s T = 10 kev

37 Reator de fusão Aquecimento auxiliar A resistividade elétrica do plasma varia com T -3/2 aquecimento por efeito Joule (corrente de plasma) é limitado a poucos kev Para atingir temperaturas maiores necessária à fusão aquecimento auxiliar Compressão adiabática: B T ou a Métodos Injeção de partículas neutras Ondas de RF ressonantes (MW) Partículas alfa (fusão) IC (ω ci = eb/m i ): MHz LH: 0,5-2,5GHz EC (ω ce = eb/m e ): GHz

38 Reator de fusão Parâmetro de fusão n T i Evolução dos parâmetros E e temperatura dos íons

39 Reator de fusão Geração de energia Potência de fusão obtidas em tokamaks e a evolução ao longo dos anos Q = 0,65

40 Reator de fusão Concepção de um reator Concepção artística de uma usina de eletricidade por fusão com um tokamak

41 Energia Energia nuclear Fusão nuclear Processos de obtenção Confinamento magnético Tokamak Reator de fusão ITER Fusão no Brasil

42 ITER Introdução ITER: International Thermonuclear Experimental Reactor (em Latin o caminho) Objetivo Operar um experimento de queima de plasma para explorar a física, demonstrar a viabilidade técnica e realizar testes finais das tecnologias envolvidas como última etapa antes de uma usina nuclear baseada na fusão Fatos Decisão de construção com forte apelo político (Reagan/Gorbachov): 1985 Países participantes desde o início: Europa, Japão, Rússia e EUA * Coréia e China aderiram em 2003 e Índia em Divisão dos custos: - 50% (País sede) - 10% (Demais membros) Projeto de engenharia foi concluído em 1998: custo da máquina ~ 5 B Euros O projeto foi revisado e reduzido ITER-FEAT (Fusion Energy Advanced Tokamak): custo estimado de construção (10 anos) 4,5 Bilhões de Euros Edson Del Bosco LAP/INPE

43 ITER Parâmetros - Corrente de plasma: 15MA - Raio maior : 6,2 m Parâmetros da máquina: - Raio menor: 2,0 m - Campo magnético toroidal: 5,3 T - Volume do plasma: 837 m 3 - Potência de fusão total: 500MW Parâmetros de fusão: - Fator de amplificação: Q=P fus /P in =10 (pulso: 400s) Q = 5 (estacionário 3000s) - Aquecimento auxiliar e geração de corrente: 73MW - Potência média de nêutrons na parede: 0,57MW/m 2

44 ITER Esquema Concepção artística do ITER Edson Del Bosco LAP/INPE

45 ITER Testes de componentes Vários laboratórios e empresas confeccionaram e testaram várias partes críticas da máquina (câmara de vácuo, bobinas)

46 ITER Status Final de 2005 a cidade de Cadarache na França foi escolhida como local para construção do ITER Europa arcar com 50% dos custos No final de 2006 foi criada a ITER Organization e a equipe de líderes do projeto já foi definida Licença para a construção obtida no final de 2007 Local do ITER Tokamak Tore Supra

47 Energia Energia nuclear Fusão nuclear Processos de obtenção Confinamento magnético Tokamak Reator de fusão ITER Fusão no Brasil

48 Fusão no Brasil UNICAMP Início: 1974 (teoria) e em 1977 com experimentos lineares: z-pinch, θ-pinch Atualmente: Nova (pequeno tokamak trazido do Japão) Objetivos: desenvolvimento de diagnósticos e formação de alunos Equipe: 1 pesquisador + estudantes USP Início: 1977 com a construção do TBR-1 (primeiro tokamak Brasileiro) Atualmente: TCABR (tokamak de porte médio trazido da Suíça) Objetivos: estudo de aquecimento do plasma por ondas de Alfvèn Equipe: ~10 pesquisadores + ~ 5 técnicos + estudantes INPE Início: 1987 (atividades em fusão) e 1995 (início da construção do ETE) Atualmente: ETE (tokamak esférico totalmente projeto e construído no Brasil) Objetivos: estudo da física de plasma em tokamaks esféricos Equipe: 5 pesquisadores + 3 técnicos + estudantes UFGRS, UFMTS, ITA, UnB, UNESP, UFP, outros Principalmente envolvidos em atividades teóricas Grupos

49 Fusão no Brasil TCABR Tokamak convencional (A = 3,4) R o = 0,6 m B T = 1,2 T I P = 120 ka Aquecimento por ondas de Alfvén Tokamaks TCABR e ETE ETE Tokamak Esférico ( A = 1,5) R o = 0,3 m B T = 0,4 T (0,6 T) I P = 220 ka (440 ka) Física de tokamaks esféricos

50 Fusão no Brasil Tokamak ETE Razão de aspecto = R/a < 1,5 a R Objetivos Explorar a física dos plasmas de baixa razão de aspecto Desenvolver diagnósticos de plasmas quentes Investigar as condições da borda do plasma Estudar métodos de aquecimento do plasma por radiofreqüência Acompanhar os avanços internacionais na área Capacitar equipe multidisciplinar para a área de fusão

51 Fusão no Brasil Construção do ETE Etapas: Projeto: Construção: Primeiro plasma: 2001

52 Fusão no Brasil Hall do ETE

53 Fusão no Brasil Plasma do ETE Foto do plasma com câmera CCD Evolução da corrente de plasma Sinais típicos de um disparo do ETE Edson Del Bosco LAP/INPE

54 Fusão no Brasil Rede Nacional de Fusão Várias tentativas (desde 1897) de se criar um Programa Nacional de Fusão No final de 2005 uma comitiva de cientistas da Euratom visitou vários laboratórios e indústrias no Brasil para avaliar a capacidade do Brasil em participar do ITER Em 2005 o atual ministro da C&T visitou o laboratório de Culham/UK (JET) Em novembro de 2006 foi assinada uma portaria ministerial criando a Rede Nacional de Fusão com aporte financeiro de 1MR$/ano Um Comitê Técnico Científico coordena as atividades de fusão e distribuição dos recursos da rede (acaba de aprovar recursos para ~10 projetos) A comunidade ainda trabalha no sentido de se criar um Programa Nacional de Fusão e um Laboratório Nacional de Fusão Inicialmente o LNF estaria ligado à CNEN e com sede em Cachoeira Paulista Participação (minoritária) do Brasil no ITER ou em outro experimento? Edson Del Bosco LAP/INPE

55 Fusão no Brasil Pós-graduação IFUSP: tokamak TCABR INPE/ITA: tokamak ETE UNICAMP: tokamak Nova UFRGS UFP UFMS UFF ITA: teoria Rede Nacional de Fusão: Bolsas PCI para doutores Bolsas em vários países: UK, Japão, etc. Programa Europeu Erasmus Mundus