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SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA Energia Nuclear 2ª Aula 1

NUCLEAR ENERGY

Sumário da 2ª aula

1. Estrutura da matéria

2. Reacções Químicas e Reacções Nucleares

3. Campos eléctrico e magnético

4. Ondas electromagnéticas

5. Energia eléctrica

6. Plasmas: o quarto estado da matéria

7. Confinamento magnético

8. Descrição de uma experiência de plasmas

SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA

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1. ESTRUTURA DA MATÉRIA• A matéria é constituída por moléculas, que por sua vez são

formadas por átomos, constituídos por um núcleo central que inclui os protões e os neutrões e que está rodeado por electrões que giram à volta do núcleo

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2. REAÇÕES QUÍMICAS E REAÇÕES NUCLEARES• As reações químicas resultam de rearranjos dos átomos das

moléculas dos reagentes

• As reações nucleares implicam alterações ao nivel do(s) núcleo(s)

• Como as forças de ligação de um núcleo são muito mais intensas que as forças de ligação dos átomos, uma reação nuclear liberta muito mais energia que uma reação química.

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3. CAMPO ELÉCTRICO E CAMPO MAGNÉTICO• Uma carga eléctrica em repouso cria à sua volta um campo

eléctrico dado por

• Uma carga eléctrica com um movimento uniforme com velocidade v cria uma corrente eléctrica e um campo magnético dado por

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• Uma carga eléctrica animada de um movimento não uniforme cria um campo eléctrico e um campo magnético, variáveis no tempo, e que obedecem às Equações de Maxwell

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4. ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

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5. ENERGIA ELÉCTRICA

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PLASMAS ARE THE FOURTH STATE OF THE MATTER

ICE WATER WATER VAPOUR IONIZED GAS

Energy Energy Energy

SOLID LIQUID GAS PLASMA

6. PLASMAS: THE FOURTH STATE OF THE MATTER

6.1. Introduction

• Fusion reactions can only occur at high pressures and

temperatures (100 million oC for the D-T reaction) at which the

fuels are fully ionised in the fourth state of the matter: the

plasma state

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6.2. Ionization

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6.3. Definition of plasma•Plasma is an ionized gas, quasi neutral, with collective behaviour

Gas Plasma

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In the vacuum In a plasma

xq

r xP

rP

r

qV

04

1

D

r

er

qV

04

1

DL

In a plasmavacuum

plasma

r

V(r)

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• Individual behaviour

q1

r

221

04

1

r

qqF

The movement of neutral particles is determined by collisions with neighbour particles.

• Collective behaviour

The movement of charged particles is determined by long-range forces, created by charged particles located very far from the test-particle.

q2

03

2

1

04

1nr

r

qF

rqn

10

0

4

q1

q2q2

q2

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Quasi Neutral

• Charge of the electrons charge of the ions

• A plasma shields any applied potential

r

qV

04

1

D

r

er

qV

04

1

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20

0

en

TkN eD

Debye Length

Electron Temperature

Plasma Density

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0

20

m

enpe

A charged particle of a plasma moved from its equilibrium position stays oscillating.

6.4. Typical parameters of a Plasma6.4.1. Plasma Frequency

+ + + + + + +- - - - - - -+ + + + + + +- - - - - - -

+ + + + + + +- - - - - -+ + + + + + +- - - - - - -

+ + + + + + +- - - - - -+ + + + + + +- - - - - - -

6.4.2. Cyclotronic FrequencyA charged particle in a magnetic field describes a circular orbit with a radius (Larmor Radius (rL)), with a frequency :

m

qBce qB

mvvr

ceL

rL decreases when the magnetic field increases, meaning that the plasma confinement improves when the intensity of the magnetic field increases

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xVector perpendicular to the plane and directed towards inside

.Vector perpendicular to the plane and directed towards outside

Sentido de rotação da carga eléctrica pode ser determinado usando:

- O Princípio da Acção e Reacção

- Regra do Saca-Rolhas (SR)

+

SRBX

-

SRB

X

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Electron

Ion

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Not all the ionized gases are plasmas

For an ionized gas to be a plasma it is necessary:

6.5. Plasma conditions

• L » D L …………….. Length of the plasma

• ND » 1 ND …………… Number of charged particles inside

a sphere with a radius equal to D

• fpe , fce » fcolisão

Collision Frequency

Cyclotronic Frequency

Plasma Frequency

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Oscilador

0

20

m

enpe

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6.6. Ocorrence of Plasmas- Natural Plasmas - Laboratorial Plasmas - Ionosphere - Cold Plasmas - Solar Wind - Fusion Plasmas - Boureal Auroras

- Industrial Applications - Lâmpadas - Surface Treatment - Material Processing - Sterlization of laboratorial equipment - Waste Treatment - Motores de Propulsão - Plasma Welding - Fusion Power Station

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7. MAGNETIC CONFINEMENT• A magnetic field:

Does not affect the movement of neutral particles;

Obliges the charged particles to have circular orbits around the lines of the magnetic field.

m

BqC

CL

vr

C

Lr

v

Frequência ciclotrónica

Intensidade do campo magnético

Carga da partícula

Massa da partícula

Raio da órbitra

Componente da velocidade da partícula no

plano perpendicular ao campo

m

B

q

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8. COMPONENTS OF A PLASMA EXPERIMENT

• Vacuum Chamber

• Vacuum System (SV)

Glass

Stainless Steal

Rotative Pump

Turbomolecular Pump

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• Pressure Measuring System (SMP)

• Gas Injection System

(SIG)

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• Magnetic Field for the Plasma Confinement

Natural Magnets

Magnets of fio de cobre

Magnets of de folhas de cobre

Superconducting Magnets

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• Systems for the gas ionization