5. Fusão Nuclear. Hinrichs, R.A.; Kleinbach, M. Energia e Meio Ambiente, Pioneira Thomson Learning, SP, 2003.

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1 5. Fusão Nuclear Hinrichs, R.A.; Kleinbach, M. Energia e Meio Ambiente, Pioneira Thomson Learning, SP, 003. As reservas mundiais de petróleo e gás natural, nesta ordem, sofrerão grandes declínios neste século, caso seja mantida a atual taxa de uso. O carvão e o urânio têm vidas mais longas, mas as questões ambientais e econômicas dificultam um crescimento na sua utilização. Há essencialmente duas opções a longo prazo: uma é a energia solar, que nós separamos em energias renováveis radiantes solar, eólica, hidroelétrica e biomassa; a outra é a fusão nuclear, que alguns consideram ser a nossa fonte definitiva de energia. Del Bosco - III EVFITA.pdf [Cristóvão R M Rincoski] p.

2 Fusão Nuclear: é o processo no qual dois ou mais núcleos atômicos se juntam e formam um outro núcleo de maior número atômico. Ex.: reação de fusão do deutério com trítio 3 4 D + T He + n + energia O deutério é um elemento que pode ser encontrado na água comum ( deutério para cada átomos de hidrogênio). Como mostrado acima o deutério possui um núcleo com próton e nêutron (Z = e A = ). Fusão 0,6 toneladas pickup Fissão 50 toneladas de Urânio 8 caminhões grandes Óleo 0 milhões de barris 7 navios supertanques Carvão, milhões de toneladas 9 trens com 0 carros cada um Del Bosco - III EVFITA.pdf [Cristóvão R M Rincoski] p.

3 A fusão completa de g de deutério irá liberar a energia equivalente à queima de 9.50 litros de gasolina. A energia liberada na fusão completa de deutério presente em km 3 de água, é equivalente a aproximadamente trilhões de barris de petróleo, o que corresponde a aproximadamente duas vezes as reservas de petróleo totais, calculadas, da Terra. A extração do deutério, da água, não é muito difícil ou cara, de forma que o combustível para a fusão de deutério é essencialmente infinito e extremamente barato. Outra vantagem da fusão é a potencial redução da poluição ambiental. Os produtos finais da reação de fusão são hidrogênio, hélio e nêutrons, de forma que não temos que nos preocupar com resíduos radioativos duradouros dos reatores de fusão, embora haja algumas partes radioativas do reator que merecem atenção. Ademais, nenhum material que possa ser utilizado na fabricação de bombas poderá ser produzido em reatores de fusão, e o aquecimento global não será uma preocupação. A fusão nuclear requer muita energia para acontecer, e geralmente liberta muito mais energia que consome. [Cristóvão R M Rincoski] p. 3

4 Quando ocorre com elementos mais leves que o ferro e o níquel (que possuem as maiores forças de coesão nuclear de todos os átomos, sendo portanto mais estáveis) ela geralmente liberta energia, e com elementos mais pesados ela consome. Até hoje, início do século XXI, o homem ainda não conseguiu encontrar uma forma de controlar a fusão nuclear como acontece com a fissão. ) Um Reator de Fusão Conhecido: o Sol O principal tipo de fusão que ocorre no interior das estrelas é o de Hidrogênio em Hélio, onde dois prótons se fundem em uma partícula alfa (um núcleo de hélio), liberando dois pósitrons, dois neutrinos e energia. Mas dentro desse processo ocorrem várias reações individuais, que variam de acordo com a massa da estrela. Para estrelas do tamanho do nosso Sol ou menores, a cadeia próton-próton é a reação dominante. Em estrelas mais pesadas, predomina o ciclo CNO (ciclo Carbono Nitrogênio Oxigênio). Vale ressaltar que há conservação da energia, e, portanto, pode-se calcular a massa dos prótons e o núcleo de hélio, e subtrair a soma das massas das partículas iniciais daquela do produto desta reação nuclear para calcular a massa/energia emitida. [Cristóvão R M Rincoski] p. 4

5 Um outro exemplo: a fusão de poucos cm 3 de deutério, um isótopo de hidrogênio, produziria uma energia equivalente àquela produzida pela queima de 0 toneladas de carvão. ) Reações de Fusão Mais Conhecidas As reações de fusão mais conhecidas na Terra, utilizam núcleos de deutério, D, e trítio, T (isótopo do hidrogênio que possui um próton e dois nêutrons). D + D + D + D + D D T He T + p + 3,3 MeV 3 3 He + n + 4,0 MeV He + n + 7,6 MeV 4 He + p + 8,3 MeV Na reação D T, está concentrada a maioria das pesquisas para protótipos de reatores de fusão, pois ela apresenta uma temperatura de ignição mais baixa do que qualquer outra reação (aproximadamente C) e é menos exigente no que diz respeito às condições necessárias para se atingir um fornecimento líquido de potência. [Cristóvão R M Rincoski] p. 5

6 Ignição de um reator: condição na qual a energia utilizada para operar o reator é no mínimo igual a retirada do reator, de forma autosustentada. Isto é, E empregada no reator E retirada do reator Onde o igual é a condição de breakeven do reator, quando ele deixa de ser um protótipo e passa a ser chamado de reator. E o menor significa que estamos obtendo mais energia do reator do que estamos gastando com ele (esta é a condição de operação de um reator para produção de energia elétrica) neste caso estamos obtendo um fornecimento líquido de energia. 3) Condições para a Fusão Um dos obstáculos para a fusão nuclear é a força elétrica de repulsão entre os núcleos positivos (D T). Esta força deve seguir a Lei de Coulomb da eletrostática q q FE = ke r Para poder superar esta repulsão, os núcleos têm de possuir energias cinéticas altas, que só são possíveis se estiverem a temperaturas da ordem de C a C. [Cristóvão R M Rincoski] p. 6

7 Embora a reação de fusão possa parecer simples, seu uso para a liberação controlada de energia representa alguns problemas científicos e tecnológicos sérios. Considere as exigências: a) Devem ser atingidas temperaturas muito altas, de modo que a energia cinética dos núcleos sejam suficientes para superar a repulsão coulombiana entre eles. A altas temperaturas, o gás se decomporá em elétrons livres e núcleos positivos. Este gás ionizado, com um número igual de cargas positivas e negativas, é chamado de plasma. Ex.: Sol, lâmpada fluorescente, chama de vela, etc. O Sol é um reator de fusão natural. [Cristóvão R M Rincoski] p. 7

8 b) O confinamento do plasma é difícil. À medida que a temperatura de uma gás aumenta, seu volume ou sua pressão (ou ambos) tem que aumentar. Assim, o gás deve ser limitado a um volume fixo para permitir que os núcleos se aproximem o bastante para fundirem. c) São necessárias altas densidades porque, para que ocorra uma liberação suficiente de energia por fusão, um grande número de núcleos deve reagir. d) A energia de fusão liberada deve ser convertida em uma forma útil, como a eletricidade. Há dois parâmetros-chave que determinam se uma reação de fusão terá uma produção líquida de energia: o ) Critério de Lawson: caracteriza a qualidade do confinamento do plasma, determina que só pode haver energia líquida liberada quando o produto da densidade do plasma (partículas por metro cúbico n) pelo tempo de confinamento do plasma, isto é, da energia (em segundos τ E ) seja nτ E s / m (para reação D-T) [Cristóvão R M Rincoski] p. 8

9 o ) Temperatura do plasma: são necessárias temperaturas maiores do que C para que ocorra a ignição. Resumindo Uma substancial barreira de energia deve ser vencida antes que a fusão possa ocorrer. A grandes distâncias, os dois núcleos expostos se repelem mutuamente devido à força eletrostática que atua entre seus prótons positivamente carregados (repulsão coulombiana). o ) Quando um nucleon tal como o próton ou nêutron é adicionado a um núcleo, ele é atraído pelos outros nucleons, mas principalmente por seus vizinhos imediatos devido à força de curto alcance. Isto é, quando este nucleon já venceu a repulsão coulombiana e se encontra dentro do alcance nuclear (força nuclear forte que mantém os nucleons ligados no núcleo) 0-5 m. Os nucleons no interior do núcleo têm mais vizinhos do que aqueles na sua superfície. Desde que núcleos menores têm uma grande razão de superfície para volume, a energia de ligação por nucleon devido à força nuclear forte geralmente aumenta como o aumento do tamanho do núcleo, mas atinge um valor limite que corresponde à vizinhança do nucleon totalmente preenchida. [Cristóvão R M Rincoski] p. 9

10 o ) A força eletrostática, por outro lado, é uma força proporcional ao inverso do quadrado da distância; então, um próton adicionado ao núcleo ira sentir uma repulsão eletrostática de todos os prótons no núcleo. A energia eletrostática por nucleon devido à força eletrostática irá portanto aumentar independentemente do tamanho do núcleo. O resultado combinado destas duas forças opostas é que a energia de ligação por nucleon geralmente aumenta com o aumento de tamanho do átomo, para elementos até com núcleo do tamanho de ferro e níquel, e diminui para núcleos mais pesados. Existem vário esquemas para o confinamento do plasma. No Sol, o plasma é confinado pelo efeito gravitacional. Na Terra, temos de utilizar outros métodos: basicamente por campos magnéticos e pelo confinamento inercial. [Cristóvão R M Rincoski] p. 30

11 4) Esquemas de Confinamento Magnético I) Espelhos Magnéticos II) Tokamaks III) Toróides Compactos (RFPs, Esferomaks, etc.) I) Espelhos Magnéticos bobina plasma bobina i i i i Um espelho magnético é uma configuração de campo magnético, onde a intensidade do campo varia quando a partícula se move no campo magnético em questão. O resultado do efeito do espelho magnético é que a tendência da partícula carregada retornar das regiões onde o campo é mais intenso. Espelhos Magnéticos um dos primeiros esquemas de confinamento magnético criado. As partículas carregadas ficam aprisionadas no campo magnético podendo refletir nas extremidades. A perda de confinamento se dá quando as partículas carregadas que possuem muita energia cinética conseguem escapar pelas extremidades onde deveriam ser refletidas (fenômeno similar ao que ocorre nas Auroras terrestres). [Cristóvão R M Rincoski] p. 3

12 II) Tokamaks O protótipo de reator nuclear: Tokamak. Tokamak(s) um acrônimo do russo para câmara toroidal com bobina magnética. Esquema de confinamento magnético para partículas carregadas (também chamadas de plasma). As partículas carregadas ficam confinadas nas linhas de campo magnético toroidais. Estas não apresentam extremidades livres como no espelho magnético. As perdas de confinamento vem da expansão do plasma, que acaba tocando nas paredes do tokamak. Existem outras formas de perdas de confinamento que envolvem instabilidades do próprio plasma, o fato de que não podemos criar indefinidamente campos magnéticos variáveis. [Cristóvão R M Rincoski] p. 3

13 III) Toróides Compactos Toróides Compactos raio menor toroidal muito pequeno, quase inexistente, razão entre os raios menor e maior muito baixa razão de aspecto (ex.: esferomaks e FRC Field Reversed Configurations, ver figuras a seguir). São máquinas que associam o confinamento de partículas em campos toroidais com a simplicidade de não possuírem um núcleo central. Perda de confinamento: os mesmos tipos que para tokamaks. Del Bosco - III EVFITA.pdf Toroide_Esferico.htm [Cristóvão R M Rincoski] p. 33

14 Aurora Boreal Quando uma grande erupção solar lança elétrons e prótons altamente energéticos no cinturão de radiação (Cinturão de Van Allen), produz-se um campo elétrico nas regiões de retorno (pólo Norte ou Sul da Terra). Este campo elimina a reflexão e faz com que elétrons (e outras partículas carregadas) se desloquem para a atmosfera, onde colidem com os átomos e moléculas da atmosfera, forçando a emissão de luz (toda partícula carregada acelerada ou desacelerada emite luz). dat_ inc [Cristóvão R M Rincoski] p. 34

15 5) Confinamento Inercial Fusão induzida por Laser. Outro método que está sendo estudado para na fusão nuclear é o confinamento inercial. Neste caso não há nenhum confinamento externo do plasma. Sabemos que à medida em que um gás sofre um aumento de temperatura, ele geralmente se expande. Entretanto, se o aquecimento for feito de forma muito rápida, a fusão pode ocorrer antes que as partículas do plasma possam se distanciar. E o combustível é confinado durante este breve tempo pela inércia de sua própria massa. Del Bosco - III EVFITA.pdf [Cristóvão R M Rincoski] p. 35

16 Neste caso o aquecimento pode ser feito com um feixe de laser muito intenso, levando ao que é chamado de fusão induzida por laser. Comparação entre as condições obtidas para fusão por confinamento magnético e por confinamento inercial. Del Bosco - III EVFITA.pdf [Cristóvão R M Rincoski] p. 36

17 A bomba de hidrogênio, que também libera energia através da fusão, é acionada por uma bomba atômica de fissão. Este é um exemplo, terrível, de confinamento inercial, no qual o combustível é comprimido pela explosão de um dispositivo de fissão. Primeira bomba de hidrogênio detonada pelo homem. FIM [Cristóvão R M Rincoski] p. 37