Transcript Aplicações de plasmas - Departamento de Física

Aplicações de plasmas - 1
Fusão Termonuclear Controlada
Prof. Ricardo Viana
Dep. Física - UFPR
Aplicações básicas de
plasmas

Descargas elétricas em gases
 Fusão termonuclear controlada
 Plasmas espaciais e astrofísicos
 Propulsão e geração a plasmas
 Tratamento de materiais
1. Fusão termonuclear
controlada
Fusão nuclear

Fusão nuclear: dois
núcleos leves
combinam-se
liberando energia
 E = m c2
 m: defeito de massa
da reação nuclear
Deutério + Trítio = Partícula
alfa + nêutron + energia limpa

Deutério e trítio:
isótopos do H (um
próton) com um e dois
nêutrons, resp.
 Partícula alfa: núcleo
de um átomo de hélio
(dois prótons e dois
nêutrons)
Defeito de massa da reação
D+T +n
Massa do próton M = 1,673 x 10-27 kg
 Massa do deutério = (2 – 0,000994) M
 Massa do trítio = (3 – 0,006284)M
 Massa da part. alpha = (4 – 0,027404)M
 Massa do nêutron = (1 + 0,001378)M
 Defeito de massa total M = (0,027404 +
0,001378) M – (0,000994 + 0,006284) M =
0,01875 M

Energia liberada na fusão
nuclear

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
E = M c2 = 0,01875 M c2
E = 2,818 x 10-12 J = 17,59 MeV
3,5 MeV = energia cinética da partícula alfa
14,1 MeV = energia cinética do nêutron
Em termos macroscópicos: 1 kg de deutério+trítio
= 102 kWh de energia
Equivale a um dia de operação de uma usina
hidrelétrica de 1 GW
Comparação: Usina de Itaipú = 12,6 GW
A fusão nuclear pode resolver
o problema da energia
Abundância dos isótopos

Hidrogênio = 99,98 % (água)
 Deutério = 0,01 % (“água pesada”)
 Trítio: instável (não ocorre naturalmente).
Vida média = 12 anos (baixa em
comparação com os produtos da fissão)=
ENERGIA “LIMPA”
 Nêutron + Lítio pode gerar o trítio
necessário para a reação auto-sustentada
Seção de choque para a
reação de fusão nuclear

A reação nuclear
é feita por
colisão D + T
 Há uma barreira
de repulsão
Coulombiana
 Seção de choque
máxima a 100
keV
Plasmas de fusão
termonuclear

Partículas precisam ser
confinadas e aquecidas
 Necessita-se de um
plasma de alta densidade n e temperatura T
 : tempo de
confinamento
 n  > 1020 m3.s com
KT = 100 keV
Bomba de hidrogênio = fusão
termonuclear descontrolada
Confinamento gravitacional

Estrelas = plasma de
fusão é confinado pelo
campo gravitacional
intenso
 Energia da fusão
responsável pela luz e
calor
Confinamento magnético

Partículas carregadas
espiralam em volta de
linhas de campo
magnético

Trajetórias helicoidais
Confinamento magnético

Elétrons e íons
positivos espiralam ao
longo das linhas de
campo magnético
 R = m v / q B (raio de
Larmor)
 Curvatura das linhas
de campo dá origem a
derivas
Garrafas magnéticas

Linhas de campo
magnético são abertas
 Campo magnético
não-homogêneo
 Efeito espelho
magnético: r decresce
com o aumento de B
até refletir a partícula
Confinamento toroidal

Bobinas criam um
campo magnético
toroidal
 Linhas de campo
fechadas
 Andrei Sakharov
(década de 50)
TOKAMAK

Acrônimo russo
(TOroidalnaya
KAmera
MAgneticheskaya
Katiusha)
 Artismovich (50´s)
 Dois campos
magnéticos básicos:
toroidal e poloidal
TOKAMAK

Campo toroidal
produzido por bobinas
 Campo poloidal
produzido pela própria
corrente de plasma
 Campo resultante tem
linhas de campo
helicoidais fechadas
TOKAMAK

Corrente de plasma
toroidal é o secundário
de um transformador
com núcleo de ferro
 Primário alimentado
por um banco de
capacitores
 Aquecimento ôhmico
do plasma
Plasmas típicos de Tokamaks


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


densidade n = 1020 m-3
temperatura eletrônica
K T = 1 keV
comprimento de
Debye D = 0,024 mm
volume = 1 – 100 m3
campo B = 1 – 10 T
corrente de plasma =
0,1 – 5 MA
Evolução dos Tokamaks
Histórico dos Tokamaks

Pesquisa secreta na década de 50 (cold war)
 Perspectivas iniciais excessivamente
otimistas – plasma é altamente INSTÁVEL
 1958: congresso em Genebra – desclassificou a pesquisa em plasma
 Primeiros tokamaks:  = 1-10 ms
 Anos 80:  = 100 ms
Joint European Torus (U.K.)
JET TOKAMAK





Raio menor = 1,5 m
Maior Tokamak do
mundo até os anos 90
 = 1 s (pulsado)
atingiu o ponto de
“breakeven”: energia
gasta = energia
liberada
atualmente desativado
TFTR (Princeton University)
TCABR (Univ. S. Paulo)

Construido em
Lausanne (Suíça)
 Reconstruido no
IFUSP
 Aquecimento por
ondas eletromagnéticas (Alfvén)
Pesquisa em Fusão

Confinamento é destruído por perdas de
energia dos elétrons
 A teoria atual não consegue explicar a perda
de confinamento.
 Equilíbrio do plasma é altamente instável a
pequenas perturbações
 Instabilidade disruptiva
 Contaminação do plasma por impurezas
Fusão inercial
Um tablete é atingido por intensos feixes de laser de alta
potência. O tablete implode formando um plasma
Fusão inercial
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