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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 IST Investigadora do Centro de Fusão Nuclear Membro do Steering Committee do EU Fusion Development Agreement Energia Fusão Nuclear Fusão/Fissão Central de Fusão Projecto ITER

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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

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ReservasReservas ffóósseissseis no no MundoMundo

Amount of Fossil Fuels

Hundredsof

Years

Millionsof

Years

1900 2200

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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

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A Semana da Física – IST 18 de Novembro de 2005

Concentração de CO2

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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

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Cenário para o consumo de electricidade até ao ano de 2100

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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)

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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

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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

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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).

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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.

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Energia das Estrelas na Terra• Confinamento inercial• Confinamento magnético

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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.

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Tokamak Stellarator

Configurações magnéticas

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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

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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

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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.

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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.

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• 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

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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.

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Custos ambientais dos combustíveis fósseis

• Uma central a carvão consome tipicamente 8600 toneladas de carvão por dia

• Produz 32000 toneladas de CO2 por dia.

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Progresso na energia de fusão

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Principais Tokamaks

≈30 years Tokamak ISTTOK

ISTTOK •

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Joint European Torus - JETA maior máquina de confinamento

magnético jamais construida

http://www.jet.uk/ http://www.jet.uk/

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Central a Fusão

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Central a Fusão

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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).

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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

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• 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?

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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

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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

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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

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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

⊥=

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- 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

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- 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

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• 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