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A Semana da Física – IST 18 de Novembro de 2005
FUSÃO NUCLEAR: UMA OPÇÃO ENERGÉTICA PARA O
FUTURO
Maria Emília Costa Manso
Professora Associada com Agregação do ISTInvestigadora do Centro de Fusão Nuclear
Membro do Steering Committee do EU Fusion Development Agreement
• Energia• Fusão Nuclear• Fusão/Fissão• Central de Fusão• Projecto ITER
12
ReservasReservas ffóósseissseis no no MundoMundo
Amount of Fossil Fuels
Hundredsof
Years
Millionsof
Years
1900 2200
A Semana da Física – IST 18 de Novembro de 2005
• Com as necessidades energéticas crescentes, os combustíveis fosséis são escassos ou demasiado poluentes dentro de poucas décadas.
ENERGIA PARA O FUTURO
A Semana da Física – IST 18 de Novembro de 2005
Concentração de CO2
Energia – só 3 alternativas para o futuro
• Mesmo nos cenários mais optimistas para o crescimento da população mundial, conservação de energia e reservas de combustíveis fósseis, têm que ser criadas novas fontes de energia para o futuro.
• Existem apenas 3 fontes de energia alternativas:- Solar e energia renováveis- Fissão - Fusão
Cenário para o consumo de electricidade até ao ano de 2100
Fusão: Energia das Estrelas
• Uma estrela é essencialmente um plasma de Hidrogénio
• As enormes quantidades de energia libertadas pelo Sol e pelas outras estrelas resulta da conversão de matéria em energia
• Isto ocorre quando os atómos de Hidrogénio se combinam, em condições de elevadas temperaturas e pressões para formar átomos mais pesados (Hélio)
Plasma
• Na fusão o Hidrogénio é aquecido a temperaturas extremas e os electrões libertam-se dos núcleos dos átomos
• A mistura de partículas positivas (núcleos) e negativas (electrões) cria um gás ionizado chamado “plasma”
• O facto do plasma ser constituido por partículas carregadas faz com que ele possa ser confinado por campos magnéticos
Propriedades dos Plasmas
• Gás de partículas com carga positiva e negativa• Os plasmas interactuam fortemente com os campos
electromagnéticos• O Plasma suporta muitos tipos de ondas e instabilidades
electromagnéticas
3 condições Fusão
• Temperatura - Combustível aquecido até energias em que electrões se separam dos núcleos (~10 000º C) ⇒plasma. Depois temperaturas ~100 milhões de graus ⇒núcleos têm energias suficientes para vencer as forças respulsivas e começar a fundir.
• Confinamento - Plasma confinado durante tempo suficiente (alguns segundos) para que núcleos de elevada energia fundam.
• Densidade - Plasma atingir uma temperatura suficientemente elevada para que os processos de fusão se tornem auto sustentados (ignição).
ENERGIA DAS ESTRELAS
• Numa estrela a enorme massa estelar tem forças gravitacionais elevadíssimas, suficientes para confinar o combustível de fusão, o que juntamente com as temperaturas elevadas do interior das estrelas cria as condições necessárias para a produção de energia de fusão.
Energia das Estrelas na Terra• Confinamento inercial• Confinamento magnético
Confinamento gravitacional – Ocorre nas estrelas e está relacionado com asua massa muito elevada.
Confinamento inercial – Irradiação de pastilhas de D+T por feixespulsados de lasers ou iões de potência muitoelevada.
Confinamento magnético – As partículas carregadas do plasma sãoobrigadas a girar em volta das linhas de força do campo magnético. Estas partículas apenasescapam para as paredes devido a fenómenosde difusão.
Tokamak Stellarator
Configurações magnéticas
D + T He4 + n + 17.6 MeV
D + D He4 + n + 3.27 MeV
D + D T + H + 4.03 MeV
D + He3 He4 + H + 18.3 MeV
- D+He3 liberta a maior quantidade de energia e nãoproduz neutrões.
- Reacção não pode ser conseguida num laboratório, osátomos têm de possuir energia muito elevada. O He3 énão existe na Terra.
- D-T reacção mais fácil de obter num laboratório. Osreagentes devem estar a temperaturas da ordem dos 10-20 keV.
Principais reacções de Fusão Nuclear
E = mc2
• Pequenas quantidades de massa podem ser convertidas em tremendasquantidades de energia
• 1 litro de combustível de fusão ⇒ 6.600 toneladas de carvão• Reacção nuclear de fusão 1 milhão de x mais poderosa que 1 reacção
química (ex. queima de carvão)
D + T He4 + n
Combustível de Fusão• A 1ª geração de centrais de fusão deutério e trítio
(isótopos do hidrogénio)• Deutério existe na água do mar • Trítio não ocorre naturalmente, é produzido no interior
do sistema de fusão a partir de um metal leve, o Lítio.• Reservas mundiais de Lítio são suficientes para suprir
necessidades mundiais de energia por mais de um milhar de anos.
• Sistemas mais avançados de fusão poderão utilizar deutério. Mais exigente do ponto de vista tecnológico, deutério combustível ilimitado.
• Tecnologia de fusão suficientemente desenvolvida ⇒fonte de energia capaz de suprir necessidades energéticas mundiais por milhões de anos.
COMO SE DESENCADEIA UMA RECÇÃO DE FUSÃO MAGNÉTICA
• Processo simples. Exige equipamento pesado e sofisticado.• Bombeia-se ar para fora da câmara; paredes limpas por
aquecimento.• Introduzido D-T na câmara que tem a forma de um Torus com
transformador eléctrico forma-se um anel de plasma. Aumentando corrente temperatura do plasma atinge 10 milhões de ºC.
• Plasma rigorosamente controlado: não toca nas paredes da câmara.
• Aquecimento conseguido com feixes de partículas (injecção de iões energéticos) ou com ondas de radiofrequência de microondas (aquecem iões ou electrões).
• Aumento significativo reacções de fusão ⇒ temperatura ultrapassa 100 milhões de ºC, 6x Te centro do Sol.
• Não libertação de gases criadores do efeito de estufa e das chuvas ácidas
• Os combustíveis (D e T) bem distribuidos na Terra:
- Deutério extraído da água
- Trítio, elemento radiocativo, vidamédia ~ 12.4 anos. Produzido no interior do reactor, usando a reacção de um neutrão com o Lítio.
Combustível AnosDeutério 3x1011
LítioTerra 30 000Oceanos 30x106
Li6 + n T + He4 + 4.8 MeV
• Operação de rotina de uma central eléctrica de fusão nãorequer o transporte de material radioactivo fora do reactor.
Vantagens da fusão nuclear
Segurança
- Processo inerentemente seguro:- não é possível gerar grandes quantidades de energia
incontrolada (pouco combustível no interior do reactor);- Reacções de fusão podem ser quase instantaneamente
interrompidas (combustíveis entram para o reactor à medida que vão sendo utilizados)
• Produtos das reacções de fusão: cinzas (He4) e neutrões. Não se criam lixos radioactivos.
• Neutrões conduz à activação das paredes do reactor.• Materiais usados na construção do reactor:
actividade ~ 100 anos. (milhares de anos paradescontaminação lixos radioactivos na central de fissão).
• Novos materiais ~ 40 anos.
Custos ambientais dos combustíveis fósseis
• Uma central a carvão consome tipicamente 8600 toneladas de carvão por dia
• Produz 32000 toneladas de CO2 por dia.
Progresso na energia de fusão
Principais Tokamaks
≈30 years Tokamak ISTTOK
ISTTOK •
Joint European Torus - JETA maior máquina de confinamento
magnético jamais construida
http://www.jet.uk/ http://www.jet.uk/
A Semana da Física – IST 18 de Novembro de 2005
Central a Fusão
A Semana da Física – IST 18 de Novembro de 2005
Central a Fusão
A Semana da Física – IST 18 de Novembro de 2005
A Semana da Física – IST 18 de Novembro de 2005
O que é o ITER?• ITER - projecto internacional que envolve 6 parceiros:
Europa, China, Japão, Coreia, Federação Russa e Estados Unidos da América.
• Étapa experimental para estabelecer bases e testar tecnologias das centrais comerciais de
• Vai produzir ~500MW de potência de fusão. ITER vai gerar 10 x potência fornecida para manter plasma quente.
• Demonstrar a possibilidade de realizar científica e tecnicamente fusão como uma fonte segura de energia.
• Projecto conceptual (1988-1990), projecto de engenharia (1992-2001). O projecto completo aceite pelos parceiros (2001)
• Construção vai iniciar-se em 2006 (Cadarache, França).
Aproximação Clássica (± 100 anos)
Primeiras Máquinas
MáquinasEspecializadas
ITER DEMO PROTO
JET
CENTRALFUSÃO
Aproximação Rápida (“Fast Track”) (± 40-50 anos)
Primeiras Máquinas
MáquinasEspecializadas
IFMIF
DEMOJET
CENTRALFUSÃO
ITER
• Não tem emissões de CO2• O combustível (Deutério) é elimitado (> 200 million years) e
está geográficamente bem distribuido• Seguro e com reduzido impacto no ambiente
• 2800 toneladas de água do mar ⇒ 100 kg de deutério• 10 toneladas de lítio ⇒ 150 kg de trítio
⇒ 1 GW de electricidade durante 1 ano• Meia banheira de água + lítio da bateria de um portátil
produzirão mesma electricidade que 40 toneladas de carvão.
Porque é que a Fusão é importante?
Combustíveis Fósseis
Fonte de energia Vantagens Desvantagens
Carvão • Abundante
• Queima suja
• Causa chuva ácida e poluição atmosférica
Petróleo• Fonte de combustíveis
com muitos derivados
• Transportável
• Reservas limitadas
• Causa poluição atmosférica
• Queima limpo
• TransportávelGás
natural
• Recursos limitados
• Manuseamento perigoso
Outras Fontes de Energia
Fonte de energia Vantagens Desvantagens
Fissão (Nuclear)• Limpa, sem CO2
• Não produz poluição imediata
• Armazenamento dos detritos radioactivos díficil
• Problemas de segurança
Hidroeléctrica
• Número astronómico de moínhos de vento para cobrir as necessidades energéticas
• Limitada do ponto de vista geográfico
Geotérmica
• Limpa, sem CO2
• Limpa, sem CO2• Limitada do ponto de vista
geográfico
Solar • Limpa, sem CO2
• Número astronómico de células solares para cobrir as necessidades energéticas
• Limitada do ponto de vista geográfico
Fusão e Fissão
Fontes de energia Vantagens Desvantagens
Fissão (Nuclear)• Limpa, sem CO2
• Não produz poluição imediata
• Armazenamento dos detritos radioactivos díficil
• Problemas de segurança
Fusão
• Investigação intensa e custos elevados de desenvolvimento
• Parte do reactor fica radioactivo
• Combustível inesgotável – água do mar
• O combustível estádistribuído por todo o Globo
• Reactores de fusão são intrinsecamente seguros não explodem ou sofrer sobre-aquecimento
4. Dificuldades em realizar reacções de fusão na Terra
- Como aquecer os combustíveis até às temperaturas necessárias?
• Aquecimento Óhmico (efeito de Joule Experiências toroidais (circuito fechado)
• Aquecimento Auxiliar Feixes de partículas neutrasFeixes de ondas electromagnéticas
- Como manter o meio tão quente isolado do recipiente onde está contido?
• Como meio está no estado de plasma (meio constituído por iões e electrões), podemos usar um campo magnético
• Para que o confinamento magnético seja eficiente, devemos usar campos magnéticas muito intensos (5 a 7 Tesla), criados por bobinas supercondutoras
qBmvrL
⊥=
- Que características deve ter o recipiente onde o plasma estácontido?• O recipiente deve ser feito de um material adequado às condições
exigentes da operação da experiência:- Grandes cargas térmicas - Enormes esforços mecânicos- Bombardeamento por neutrões de energia elevada - Circuito permutador de calor
- Como garantir que o meio existe durante o tempo necessário?
• Numa primeira fase, o plasma deve durar o tempo necessário para garantir a ocorrência de um número significativo de reacções de fusão
Estudo de Física dos
Plasmas
• Numa segunda fase, a experiência deve funcionar em regime estacionário
- Como retirar as impurezas do plasma?• As impurezas têm raios de geração maiores que os iões de Deutério e
Trítio) Podem ser capturadas usando limitadores ou diversores
- Como saber o que acontece no dispositivo experimental?
DiagnósticosParticipação remotaSiatema de Controlo e Aquisição de Dados
- Como fazer a manutenção e o aperfeiçoamento do dispositivo experimental?
• A intervenção humana, directa, não épossível após o início da operação com D-T
Utilização de braços
robotizados
• Às temperaturas de 10-20 keV necessárias para que os núcleos de D e T se possam fundir, vencendo a força de repulsão dos seus núcleos, o Deutério e o Trítio estão ionizados (átomos divididos em iões e electrões), no estado de plasma (quarto estado da matéria).
• Um plasma é um meio ionizado, quase neutro, com comportamento colectivo- Quase neutro significa que, em qualquer volume do plasma, as cargas
positivas e negativas são praticamente iguais.
- Comportamento colectivo significa que o movimento das partículascarregadas é influenciado por forças de longo alcance, do tipo da Lei deCoulomb.
• Há três vias principais para atingirmos a fusão nuclear:- Confinamento gravitacional- Confinamento magnético- Confinamento inercial