Geração de energia elétrica por fusão nuclear controlada

Transcrição

1 Geração de energia elétrica por fusão nuclear controlada Marcelo M. Sant Anna Tópicos em Física Geral I de Junho de 2007 Instituto de Física Universidade Federal do Rio de Janeiro

2 Energia suja x Energia limpa Alguns exemplos: Geração de energia Mais suja Combustível fóssil Fissão Nuclear Menos suja Hidroelétrica e Eólica Hidrogênio Fusão Nuclear Solar Confinamento Magnético Tokamaks Fusão Inercial Controlada Pulsos de LASER Pulsos de Íons pesados

3 Hidroelétricas: Energia limpa? 25/05/ h30m Manifestantes de Tucuruí são recebidos pelo governo De acordo com o Ministério da Defesa, os cerca de 100 manifestantes do Movimento de Atingidos por Barragens (MAB), do Movimento dos Trabalhadores Rurais Sem Terra (MST) e da Via Campesina, que ainda permaneciam dentro da usina, deram início à desocupação por volta das 20h desta quinta.

4 Fissão nuclear E=MC2 Também há prós e contras Todas as atuais usinas nucleares são deste tipo Reação em cadeia Lixo radioativo de vida longa (ex.: anos para 238Po) Risco de acidentes com isotopos de vida longa

5 Fusão nuclear Fissão nuclear Uma alternativa Vocês conhecem uma fonte deste tipo? Energia liberada!

6 A grande usina nuclear da Terra: o Sol Podemos reproduzir na Terra?

7 No Sol... Reação em cadeia: no final do ciclo a massa diminui 0.7% ( E=MC2!) A cada seg. 4 milhões de toneladas de H são queimadas. Fusão só acontece no interior solar (T~108K) Por que o Sol não explode? Gravidade!

8 Na Terra... É preciso vencer a barreira coulombiana repulsiva B ~ 1.44 q1 q 2 r1 + r 2 MeV Para que as forças nucleares entrem em jogo Queremos matéria de alta temperatura e alta densidade ao mesmo tempo (é difícil!) Iremos gerar plasmas (uma sopa de íons e elétrons)

9 Alguns plasmas:

10 O produto densidade (n) x tempo de confinamento (τ) Critério de Lawson nτ > 12 k B T vσ Q kb é a constante de Boltzman, T é temperatura, Q é a energia cinética liberada em uma colisão, v é a velocidade relativa na colisão e σ uma seção de choque k B T ~ 5 kev Q = 17.6 MeV ( Para a reação D + T ) Duas alternativas: Confinamento Magnético (MCF) e Confinamento Inercial (ICF) nτ > ~ s cm 3 MCF ICF n (cm 3) τ (s)

11 Seções de choque: o que são? Uma grandeza proporcional à probabilidade de um projétil (e/ou alvo) sofrer uma mudança. (com maior rigor: fluxo de partículas espalhadas com uma certa propriedade dividido pela densidade de fluxo de partículas incidentes) e Área efetiva de colisão

12 Seções de choque: por quê? -Entender processos da natureza -Servem como parâmetros de modelagem Experiência Seções de choque Obs.: unidade de área Teoria (clássica ou quântica)

13 Confinamento e Aquecimento de Plasmas A fusão requer plasmas de altas temperaturas confinados por um tempo longo o suficiente para liberar energia apreciável via reações nucleares Método de confinamento Gravidade Inercial Mecanismo e aquecimento Compressão (gravidade) Reações de Fusão (como a cadeia p p) (implosão causada dor feixes de laser ou de íons, ou por raio x gerados por feixes de laser ou de íons ) Reações de Fusão (principalmente D+T) Imagem exemplo Estrelas e galáxias Compressão Ondas Magnético eletromagnéticas Aquecimento ohmico (por corrente elétricas) Feixes de partículas neutras (hidrogênio atômico) Compressão (por campos magnéticos) Reações de Fusão (principalmente D+T) Feixes Tokamak

14 Em resumo: Algumas reações geradoras de energia Química Exemplo de Reação C + O2 > CO2 Combustível típico (para a central de geração) Carvão betuminoso Fissão Fusão n + U 235 > H 2 + H 3 > Ba Kr He 4 + n n UO2 (3% U % U Deutério & Lítio 238) Temperatura típica de reação (K) Energia liberada por kg de combustível (J/kg) 2.1 x x x 107

15 Fusão com confinamento Magnético: Tokamaks

16 Um plasma é confinado Plasma: uma sopa de íons e elétrons Campos magnéticos são utilizados p/ confinamento

17 Gostaria de trajetórias do tipo: No plano, com B constante temos mv 2 ( rˆ ) qv B = R mv 2 qvb = R mv R= qb

18 Desenho esquemático de um Tokamak Biscoito Globo plasma Linhas de campo fechadas dentro do instrumento Superfícies de campo B constantes ( cascas ): evitam jogar partículas para a parede

19 E a ignição? Procurar ITER na figura

20 ITER: o próximo passo ITER (International Toroidal Experimental Reactor) ITER: o caminho (em latim)

21 Escala de tempo ~2025 Alguns protótipos funcionando 500 s 500 MW 2 GW continuamante Reator industrial: ~2050

22 Fusão com confinamento Inercial: Usando Feixes de LASER ou feixes de íons

23 Fusão por Confinamento Inercial Serway Fundamentos da Física 4 Halliday Resnick Tipler Uma pelota de D T, revestida com plástico, sofre fusão quando atingida por pulsos intensos e rápidos de Laser ou íons

24 Não são lasers de bancada... ~ 50 milhões de US$

25 Fusão Inercial Controlada no passado

26 Confinamento Magnético e Confinamento Inercial: Resultados históricos

27 Investimento em geração de energia via fusão nos EUA Fusion Energy Science Programme (DOE) Nuclear Weapons Programme (DOE)

28 A FIC é economicamente viável? (B) (A) /kwh para termoelétricas a carvão 4.3 /kwh para usinas de fisão nuclear avançadas (1,200 MWe)

29 Fusão Inercial Controlada no presente

30 NIF (Livermore) Ignição Prédio terminado em setembro de 2001 D+T Pelotas de D T: Simetria Mistura de camadas Interação laser plasma ~ 1,5 bilhão de US$ National Ignition Facility (NIF) Lawrence Livermore National Laboratory Livermore, CA

31 Fusão Inercial Controlada no futuro

32 Integrated Beam Experiment IBX

33 Um documento com projetos para 20 anos

34 EUA IBX Escala de tempo: 20 anos

35 As várias etapas do processo...

36 O plano de uma central elétrica via Fusão Inercial O HYLIFE II, mostrando os jatos de Flibe líquido (em azul) e feixes de íons pesados entrando por dois lados da câmara. (Crédito: LLNL).

37 A câmara de fusão Pelotas de D T Li2BeF4 Li2BeF4

38 Por que íons pesados? D+T r~0.2 mm Pb (ou resina) Os íons mais pesados podem depositar mais energia para uma dada profundidade

39 Fusão Inercial Controlada e o LaCAM

40 A proposta do uso de projéteis negativos L. G. Grisham (Princeton) Nucl. Instr. and Meth. In Phys. Res. A 464, 315 (2001) Fusion Science and Technology 43, 191 (2003) A neutralização dos projéteis na entrada da câmara de colisão é altamente desejável, logo depois da última focalização. Vantagem dos projéteis negativos sobre projéteis positivos: Em alta velocidade, é mais fácil a neutralização do projétil.

41 A proposta do uso de projéteis negativos Pontos críticos apontados: 1 Escolha do elemento do feixe 2 Fonte de íons 3 Neutralização por fotoionização 4 Requisitos de vácuo no acelerador e canalização 5 Ionização de partículas do feixe na câmara alvo (novamente, requisitos vácuo)

42 Fonte de íons negativos para FIC S. K. Hahto et al. (Berkeley) Rev. Sci. Instrum. 74, 2987 (2003) Teste iniciais ok para Cl!

43 Queremos responder: 1 Qual a pressão residual na canalização para que a corrente de feixe seja atenuada de apenas 5% nas colisões com o gás residual? 2 Qual a pressão residual na câmara de fusão para que a corrente de feixe seja atenuada de apenas 5% nas colisões com o gás residual?

44 Queremos responder: 1 Qual a pressão residual na canalização para que a corrente de feixe seja atenuada de apenas 5% nas colisões com o gás residual? 2 Qual a pressão residual na câmara de fusão para que a corrente de feixe seja atenuada de apenas 5% nas colisões com o gás residual? Problema : Kr7+ = Br?

45 Nosso aparato experimental Alvo gasoso (em alta tensão) feixe da fonte De íons Feixe selecionado Magneto X Acelerador Tandem 1.7 MV NEC X

46 Curva de atenuação típica do feixe Π = Densidade vezes Comprimento efetivo

47 Nossos dados: Fluor Cloro Bromo Iodo M. M. Sant Anna et al., Plasma Physics and Controlled Fusion 46, 1009 (2004) Electron detachment para Ep ~ 10 kev/u

48 Electron detachment para Ep ~ 10 MeV/u X + N2 F Cl Br I

49 scaling e extrapolação X + N2 F Cl Br I

50 Boas notícias L.R. Grisham Nossos dados Estimativa da pressão crítica na linha (para perder apenas 5% de feixe) Torr Torr Estimativa da pressão crítica na câmara (para perder apenas 5% de feixe) Torr Torr Fusion Sci. Technol. 43, 191 (2003) Plasma Phys. and Controlled Fusion 46, 1009 (2004) Condições mais favoráveis do que o anteriormente imaginado

51 Fim (para mais detalhes: