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Edson Del Bosco

Laboratório Associado de Plasma - LAP

Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE

[email protected]

www.plasma.inpe.br

Fusão termonuclear controlada

III Encontro de Verão de Física do ITA

Instituto Tecnológico da Aeronáutica – ITA/CTA

18 a 22 de fevereiro de 2008

Edson Del Bosco LAP/INPE

Tópicos

• Energia

• Energia nuclear

• Fusão nuclear

• Processos de obtenção

• Confinamento magnético

• Tokamak

• Reator de fusão

• ITER

• Fusão no Brasil


• Energia

• Energia nuclear

• Fusão nuclear



• Tokamak


• ITER



Energia Questão energética

• Taxa de crescimento populacional

• Crescimento de países em desenvolvimento (China, Índia, Brasil)

• Qualidade de vida (consumo de energia per capita)

• Meio ambiente (efeito estufa – CO2 – 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

Problemas e soluções que afetam as decisões na área de energia

Assunto com muitas incertezas e extremamente polêmico


Energia Taxa de consumo de energia

Valores do ano 2000Possível cenário

para o ano 2050

- Potência instalada: ~13,3TW

- População: 6,08 Bilhões

- Consumo médio: 2,2 kW/p

- População: 10 Bilhões

- Consumo médio: 3 kW/p~ 30 TW

Necessidade

Exemplos de “consumo”

de energia

• EUA 12 kW/p

• Suíça 6 kW/p

• Japão 5 kW/p

• Brasil 1,8 kW/p

• Índia 0,2 kW/p

(1T = 1012)


Energia Problemas das fontes atuais

• Reservas limitadas: petróleo

• Efeitos nocivos ao meio ambiente (CO, CO2, 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

• 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%

Existe espaço e motivação para a busca de novas fontes de energia

• Problemas


• Energia

• Energia nuclear

• Fusão nuclear



• Tokamak


• ITER



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”


Energia nuclear Equação de Einstein

E = mc2

• 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

n Nêutron 1,008665 u

p Próton 1,007276 u

D Deutério 2,013553 u

T Trítio 3,01550 u

He-3 Hélio – 3 3,014932 u

He-4 Hélio - 4 4,001506 u

- 1 u (unidade de massa atômica) = 1,66054 x 10-27kg = 931,466 MeV/c2

- c = 2,9979x108 m/s

B/A = (Z mp + N mn – Ma) c2 / A

Massa de repouso dos

constituintes

Massa de repouso do

núcleo formado


Energia nuclear Fissão

• A energia nuclear está “associada” à energia de fissão (fatores históricos)

• A fissão foi descoberta no ano de 1939 bombardeando-se U235

(abundância de apenas 0,7%) com nêutrons de baixa energia (0,025 eV)

on1 + 92U 235

36Kr92 + 56Ba141 + 3 on1• Reação de fissão típica:


Energia nuclear Fissão na matriz energética

• Angra 1 e 2 ~2 GW

• Angra 3 ~1,35 GW ( construção: até 2013 – custo: US$ 4,5Bi )


• Energia

• Energia nuclear

• Fusão nuclear



• Tokamak


• ITER



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


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 → 4He (3,517 MeV) + n (14,069 MeV)

1 kg de (D + T) pode liberar 108 kWh de energia usina de 1GW por 1 dia


Fusão nuclear Combustíveis para a fusão

Os “combustíveis” para um reator de fusão são: Deutério e Lítio

• Deutério (D): isótopo estável com abundância de 1 parte em 6700 (30g/m3)

• Trítio (T): isótopo radioativo (T1/2= 12,3 anos) decaimento beta para 3He

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

6Li + n (lentos) → T + 4He + 4,8 MeV

7Li + n (rápidos) → T + 4He + n (lentos) – 2,5 MeV

D → U$1000/kg 6Li → U$40/kg

Custo: Reservas:(na taxa atual de consumo)

D → > Milhões de anos6Li → > 30.000 anos (crosta)


Fusão nuclear Vantagens e desvantagens

• Produção em larga escala

• Combustível abundante e barato

• Efeitos mínimos ao meio ambiente

• Fonte universal

• Lixo radioativo de pequena meia-vida

• Inerentemente segura

• Não necessita armazenamento

Vantagens:

• Necessita pesquisa

• Radioatividade do trítio

• Grande fluência de neutros de alta energia

• Transmutação radioativa (novos materiais)

Desvantagens:


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


• Energia

• Energia nuclear

• Fusão nuclear



• Tokamak


• ITER



Processos de obtenção Estrelas/Laboratório

• Fusão por confinamento magnético (MCF)

• Fusão por confinamento inercial (ICF)

• Catalização por múon

• Fusão a frio

Em laboratório:

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 10

-15 milhões oC (núcleo) → cadeia próton-próton

No Universo:


Processos de obtenção Confinamento inercial

Fusão por Confinamento Inercial ( ICF): n ↑ ↓ T ↑

• 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


Processos de obtenção Confinamento magnético

Fusão por Confinamento Magnético (MCF): n ↓ ↑ T ↑

• 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


Processos de obtenção Comparação


• Energia

• Energia nuclear

• Fusão nuclear



• Tokamak


• ITER



Confinamento magnético Plasma

• Energia é necessária para ultrapassar a barreia de potencial da força

repulsiva de Coulomb existente entre dois núcleos (prótons) carregados:

U = e2 / 4πεo r

10 keV cerca de 100 milhões oC para Deutério/Trítio

• 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

(1eV = 11.600 oK)

Plasma


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”

ωcj α ej (B / mj)

rLj α (vTj / ωcj)


Confinamento magnético Esquemas

Linear:

- “Theta pinch”

- “Z-Pich”

- Espelho magnético

Toroidal:

- Tokamak

- Stellarator

- “Reversed field pinch”

- Tokamak esférico

Espelho -pinch

Z-pinch Stellerator


• Energia

• Energia nuclear

• Fusão nuclear



• Tokamak


• ITER



Tokamak Histórico

• Primeiros experimentos de fusão nuclear em máquinas de confinamento

magnético remontam ao final da década de 1940

• Em 1968, na Conferência de Novosibirsk, cientistas Russos do “Kurchatov

Institute” anunciam valores de temperatura da ~1keV no tokamak T-3

• Após 1958 as pesquisas em confinamento magnético tornam-se públicas

• 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)


Tokamak Princípio de funcionamento

- Corrente de Plasma: gerada pelo primário (solenóide) de um transformador

- 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

• A palavra tokamak é um acrônimo das palavras em Russo: toroidalnaya

kamera magnitnaya katushka (câmara toroidal com bobina magnética)


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

• Volume do plasma 1 – 100 m3

• Massa total do plasma 10-4 – 10-2 gr

• Densidade de íons 1019 – 1020 m-3

• Temperatura 1 – 40 keV

• Pressão (α N x T) 0,1 – 5 atm

• Velocidade térmica dos íons 100 – 1000 km/s

• Velocidade térmica dos elétrons 0,01c – 0,1c

• Campo magnético toroidal 1 – 7 T

• Corrente de plasma total 0,1 – 7 MA

• Parâmetros típicos


Tokamak JET

Raio maior 2,96m

Raio menor 2,1x1,25m

Duração do pulso 20 – 60s

Campo toroidal 3,4 – 4 T

Corrente de plasma 2 – 7MA

Aquecimento auxiliar 25–36MW

Temperatura dos íons 40keV

Confinamento de energia ~ 2s

• 1971: Decisão para construção

• 1973: Início do projeto

• 1983: Primeiro plasma

Joint European Torus

(maior tokamak em operação)


Tokamak Diagnósticos no JET


Tokamak Disparo típico

• Evolução temporal de alguns parâmetros do plasma num disparo típico do

tokamak MAST da Inglaterra


Tokamak Filme do plasma

http://www.fusion.org.uk/

• Emissão de luz do tokamak MAST obtida com câmera CCD rápida (300ms)


• Energia

• Energia nuclear

• Fusão nuclear



• Tokamak


• ITER



Reator de fusão Parâmetro para fusão

n: densidade [m-3] → reação de fusão: α n2 (10-4 g/m3)

Ti: temperatura dos íons [keV] →“agitação” térmica necessária à fusão

E: tempo de confinamento de energia (Wtérm / Pperdida.) [s] → isolação térmica

• Parâmetro de fusão ou triplo produto é definido por: n Ti E

- n Ti E > 6 x 1021 m-3 keV s

- 10 keV < Ti < 20 keV• Condição de ignição (50%D + 50%T):

Exemplo: n = 1020 m-3 E = 2s T = 10 keV

• Ignição: a potência necessária para manter o plasma é proveniente apenas da potência gerada pelas partículas alfa (20%) Paquecimento = 0 e Q = h

• Breakeven: a potência liberada pela fusão é igual a potência gasta para

gerar e manter o plasma (não há ganho: Q=1)

• Fator de ampliação: Q = Pfusão / P aquecimento


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

IC (ωci = eB/mi): 10-12 0 MHz

LH: 0,5-2,5GHz

EC (ωce= eB/me):15-300 GHz

Métodos

• Compressão adiabática: BT ou a

• Injeção de partículas neutras

• Ondas de RF ressonantes (MW)

• Partículas alfa (fusão)


Reator de fusão Evolução dos parâmetros

• Parâmetro de fusão n Ti E e temperatura dos íons


Reator de fusão Geração de energia

• Potência de fusão obtidas em tokamaks e a evolução ao longo dos anos

Q = 0,65


Reator de fusão Concepção de um reator

• Concepção artística de uma usina de eletricidade por fusão com um tokamak


• Energia

• Energia nuclear

• Fusão nuclear



• Tokamak


• ITER



ITER Introdução

ITER: International Thermonuclear Experimental Reactor (em Latin o caminho)

• 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

Objetivo

• 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 2005.

• 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

Fatos


ITER Parâmetros

- Potência de fusão total: 500MW

- Fator de amplificação: Q=Pfus/Pin=10 (pulso: 400s)

Q = 5 (estacionário – 3000s)

- Aquecimento auxiliar e geração de corrente: 73MW

- Potência média de nêutrons na parede: 0,57MW/m2

- Corrente de plasma: 15MA

- Raio maior : 6,2 m

- Raio menor: 2,0 m

- Campo magnético toroidal: 5,3 T

- Volume do plasma: 837 m3

Parâmetros de fusão:

Parâmetros da máquina:


ITER Esquema

Concepção artística do ITER


ITER Testes de componentes

• Vários laboratórios e empresas confeccionaram e testaram várias partes

críticas da máquina (câmara de vácuo, bobinas)


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

Tokamak

Tore Supra

Local do

ITER


• Energia

• Energia nuclear

• Fusão nuclear



• Tokamak


• ITER



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

Fusão no Brasil Grupos


Fusão no Brasil Tokamaks TCABR e ETE

• Tokamak Esférico ( A = 1,5)

• Ro = 0,3 m

• BT = 0,4 T (0,6 T)

• IP = 220 kA (440 kA)

• Física de tokamaks esféricos

ETETCABR

• Tokamak convencional (A = 3,4)

• Ro = 0,6 m

• BT = 1,2 T

• IP = 120 kA

• Aquecimento por ondas de Alfvén


Fusão no Brasil Tokamak ETE

• 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

Objetivos

Razão de aspecto = R/a < 1,5R

a


Fusão no Brasil Construção do ETE

• Projeto: 1990 – 1995

• Construção: 1996 – 2000

• Primeiro plasma: 2001

Etapas:


Fusão no Brasil Hall do ETE


Fusão no Brasil Plasma do ETE

Evolução da corrente de plasma

Foto do plasma com câmera CCD

Sinais típicos de um disparo do ETE


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?


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”

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