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5/17/2018 Nuclear Reactor - slidepdf.com

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Isótopos

Os isótopos são átomos domesmo elemento com o mesmonúmero de prótons e elétrons,mas um número diferente denêutrons. Eis alguns isótoposcomuns para fusão:

•prótio ou hidrogênio-isótopo de hidrogênio comum próton e nenhumnêutron. É a forma mais comum de hidrogênio e o elemento mais comum no universo;

•deutério- isótopo de hidrogênio com um próton e um nêutron. Não é radioativo e pode serextraído da água do mar;

•trítio- isótopo de hidrogênio com um próton e dois nêutrons. É

radioativo, com meia-vidade aproximadamente 10 anos; não ocorrenaturalmente, mas podeser produzido por meio do

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Como funcionam os reatores de fusão nuclear por Craig Freudenrich, Ph.D. - traduzido por HowStuffWorks Brasil

Introdução

Os reatores de fusão ganharam grande destaque na imprensa porque oferecem importantes vantagens em relação a outras fontes de energia. E les uti l izarão fontes de combustível abundantes, não apresentarão fuga de radiação acima dos níveis normais de radiação de fundo e produzirão menos l ixoradioativo que os atuais reatores de fissão.

A tecnolog ia para a execução desse equ ipamento ai nda não está di spon ível , mas o funci onamen to dosreatores não está tão longe da real idade. No momento, os reatores de fusão estão em estágio experimental em vários laboratórios pelo mundo.

Foto cedida por ITERLocal de construção proposto para a usina do reator de fusãoITER em Cadarache, França.Veja mais fotos sobre o reator de

fusão(em inglês).Foi proposto um consórcio entre Estados Unidos, Rússia, Europa e Japão para o desenvolvimento de um reator de fusão denominado ITER (Reator Experimental Termonuclear Internacional) em Cadarache, França, para demonstrar a v iabi l idade do uso sustentável de reações de fusão para geração de eletr icidade. Neste artigo, saberemos mais sobre a fusão nuclear e sobre como o reator ITERfuncionará.

A física da fusão nuclear: reações

Os atuais reatores nucleares usam a fissão nuclearpara gerar energia. Na fissão nuclear , a energia é obt ida a part ir da d iv isão de um átomo em dois átomos. Em um reator nuclear convencional, os nêutrons de alta energia d ividem átomos pesados de urânio, proporcionando grandes quantidades de energia, radiação e l ixo radioativo por longos períodos de tempo (veja Como funciona a energia nuclear ).

Na fusão nuclear, a energia é obt ida quando dois átomos são

agrupados para formar um. Em um reator de fusão, os átomos de hidrogênio se agrupam para formar átomos de hél io, nêutrons e grandes quantidades de energia. Esse é o mesmo t ipo de reaçãouti l izado pelas bombas de hidrogênio e pelo Sol . Essa seria uma fontede energia mais l impa, segura, eficiente e abundante do que a fissão nuclear.

Há vários t ipos de reações de fusão. A maior ia envolve os isótopos de hidrogênio denominados deutério e trítio:

• Cadeia próton-próton: esta seqüência é o esquema de reação de fusão predominante util izado pelas estrelas como o sol . 1 . dois pares de prótons transformam-se em dois átomos de

deutério;2 . cada átomo de deutério é combinado com um próton para

formar um átomo de hél io 3; 3 . dois átomos de hé l io 3 são combinados para formar o ber íl io

6 , que é instável ; 4 . o ber íl io 6 decai em dois átomos de hé l io 4 .

Essas reações produzem partículas de alta energia (prótons, elétrons, neutr inos, pósitrons) e radiação ( luz, raios gama).

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Página 1 de 6HowStuffWorks - Como funcionam os reatores de fusão nucl ear

05/03/201http://ciencia.hsw.uol.com.br/reator-fusao-nuclear.htm/printabl



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bombardeio de l ítio pornêutrons;

•hélio 3é um isótopo de hél io com dois prótons e um nêutron;

•hélio 4é a forma mais comum de ocorrêncianatural do hél io, com doisprótons e dois nêutrons.

Tokamak"Tokamak" é um acrônimorusso para "câmara toroidalcom campo magnético axial".

• Reações deutério-deutério: dois átomos de deutério sãocombinados para formar um átomo de hél io 3 e um nêutron.

• Reações deutério-trítio: um átomo de deutério e um átomo de trício são combinados para formar um átomo de hé lio 4 e um nêutron. A maior parte da energia l iberada está na forma de nêutron de alta energia.

De forma conceitual , a ut i l ização de fusão nuclear em um reator não é complexa. No entanto, tem s idoextremamente d ifíci l para os cientistas chegar a uma forma controlável e não destrutiva de fazê-lo. Para entender o motivo, precisamos anal isar as condições necessárias para a fusão nuclear.

Condições para a fusão nuclear

Quando os átomos de hidrogênio se fundem, os núcleos são reunidos. No entanto, os prótons em cadanúcleo tenderão a se repel ir por terem a mesma carga (positiva). Se você já tentou posicionardois ímãs juntos e percebeu que eles se afastam, sabe como funciona esse princípio.

Para obter a fusão, é necessário criar condições especiais para controlar essa tendência. A seguir, apresentaremos as condições para tornar possível a fusão.

•Alta temperatura:a alta temperatura fornece energia aos átomos de hidrogênio para queeles superem a repulsão elétr ica entre os prótons.

• A fusão requer temperaturas em torno de 100 milhões de kelvin(aproximadamenteseis vezes mais quente que o núcleo do sol) .

• Nessas temperaturas , o h idrogênio é um p lasma, não um gás . O plasma é um estado de alta energia da matéria no qual todos os elétrons são arrancados dos átomos e se movem livremente.

• O sol atinge essas temperaturas dev ido à sua grande massa e à força da gravidade que

a compacta no seu núcleo. É necessário usar energia de microondas, lasers epartículas de íons para atingir essas temperaturas.

•Alta pressão:a pressão faz com que os átomos de hidrogênio sejam comprimidos. E lesdevem estar a 1x10 -1 5 metros um do outro para que ocorra a fusão.

• O sol u ti l iza sua massa e a força da gravidade para comprimir os átomos de hidrogênio em seu núcleo.

• É necessário agrupar átomos de hidrogênio usando intensos campos magnéticos, potentes lasers ou feixes de íons.

Com a atual tecnologia, podemos usar somente as temperaturas e pressões necessárias para tornar possível a fusão deutério-trítio. A fusão deutério-deutério requer altas temperaturas, que talvez sejampossíveis no futuro. Em suma, a fusão deutério-deutério será melhor, já que será mais fácil extrair deutério da água do mar do que obter trítio a partir do l ítio . Além disso, o deutério não é radioativo e as reações deutério-deutério produzirão mais energia.

Reatores de fusão: confinamento magnético

Há duas formas de atingir as temperaturas e pressões necessárias para que a fusão de hidrogênio ocorra:





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• oconfinamento magnéticousacampos magnéticos e elétr icos para aquecer e comprimir o plasma de hidrogênio. O projeto ITER, na França, está usando este método;

• oconfinamento inercialusafeixes de laser ou de íons para comprimir e aquecer o plasma de hidrogênio. Os cientistas estão estudando esta abordagem experimental na National IgnitionFacility (em inglês) do Laboratório Lawrence Livermore nos Estados Unidos.

Vejamos pr imeiro o confinamento magnético. Microondas, eletr icidade e feixes de partículas neutras de aceleradores aquecem um fluxo de gás hidrogênio, transformando-o em plasma. Esse plasma é comprimido por ímãs supercondutores, permitindo que a fusão ocorra. O formato mais eficiente de

plasma confinado magneticamente é o de uma rosquinha (toróide).

Toróide de plasma

Um reator desse formato é denominadotokamak. O tokamak ITER será um reator independente cujas partes estão em vários compartimentos. Esses compartimentos podem ser facilmente inseridos eremovidos sem precisar destruir todo o reator para manutenção. O tokamak terá um plasma toróide comraio interno de 2 metros e um raio externo de 6,2 metros.

Vejamos mais detalhadamente o reator de fusão ITER para anal isar comofuncionao confinamento magnético.

Confinamento magnético: o exemplo do ITER

As pri ncipa is peça s do reator tokamak ITER são:

ITERfotocedida

Tokamak ITER

•compartimento de vácuo- retém o p lasma e mantém a câmara de reação em um vácuo; •injetor de feixe neutro(sis tema cíclotron de íons) - a fim de a judar a aquecer o p lasma a temperaturas críticas, o in jetor in jeta no plasma feixes de partículas a partir do acelerador;

•bobinas de campo magnético(poloidal, toroidal) - ímãs supercondutores que confinam, dão a forma e preservam o plasma usando campos magnéticos;

•transformadores/solenóide central- fornecem eletr icidade às bobinas de campo magnético; •equipamento de resfriamento(criostato, bomba criogênica) - refrigera os ímãs; •módulos de camada- feitos de l ítio ; absorvem o calor e os nêutrons de alta energia a partirda reação de fusão;

•defletores- descarregam os produtos do hél io da reação de fusão.

Vejamos como o processo funcionará:





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Processo de fusão de confinamento magnético

1. o reator de fusão aquecerá um f luxo de combustível de deutério e de trítio para formar o plasma de alta temperatura. Ocorrerá uma compressão do plasma para que a fusão possa ocorrer:

1 . a potência necessária para in iciar a reação de fusão será em torno de 70 megawatts,mas o rendimento de potência da reação será de aproximadamente 500 megawatts;

2. A reação de fusão i rá durar de 300 a 500 segundos. Com o tempo, haverá uma reação de fusão sustentável;

2. as camadas de l ítio fora da câmara de reação plasmática vão absorver nêutrons de alta energia a partir da reação de fusão para produzir mais combustível de trítio. As camadas também serão aquecidas pelos nêutrons;

3. o calor será transferido por uma corrente de água para resfriamento até um trocador de calor, a fim de formar o vapor;

4. o vapor irá estimular as turbinas elétr icas a produzirem eletricidade ;5. o vapor será condensado novamente em água, a fim de absorver mais calor do reator no trocador

de calor. In icialmente, o tokamak ITER irá testar a v iabi l idade de um reator de fusão sustentável. Mais tarde será testada uma usina de energia de fusão.

Reatores de fusão: confinamento inercial

A NI F (Na tion al Ig ni tion Faci li ty) do Laborató rio Lawrence Live rmore está rea li zando experimentosusando feixes de laser para induzir a fusão. No d isposit ivo da NIF, 192 feixes de laserserãofocal izados em um único ponto em uma câmara de alvos com 10 metros de d iâmetro, denominadahohlraum (cavidade, em alemão). Uma hohlraum é uma "cavidade cujas paredes estão em equi líbrio radioativo com a energia radiante na cavidade", de acordo com a Science and EngineeringEncyclopaedia (em ing lês) .

Cortesia do Nat ional Ignit ion Faci l i ty

Processo de fusão de confinamento inercial

No ponto focal dentro da câmarade alvos haverá uma esfera (do tamanho de uma ervi lha) de deutério-trítio inserida em um pequeno ci l indro de plástico. A energia dos lasers (1 ,8 mi lhão de joules) irá aquecer o ci l indro e gerar raios X. O aquecimento e a radiação converterão a esfera em plasma e irãocomprimi- la até que a fusão ocorra. A reação de fusão terá uma brevevida úti l , em torno de ummi l ionésimo de segundo, mas i rá render de 50 a 100 vezes mais energia do que a necessár ia para in iciar a reação de fusão. Um reator desse t ipo teria vários alvos, que poderiam ser ativados emseqüência para gerar produção de calor sustentável. Os cientistas estimam que cada alvo pode serproduzido por apenas 25 centavos de dólar, tornando econômica a us ina de energia de fusão.





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Cortesia do laboratórioLawrenceLivermore

Processo de ignição da fusão

Como o reator de fusão de confinamento magnético, o aquecimento a partir da fusão de confinamentoinercial passará por um conversor de calor, a f im de criar vapor para produzir a eletr icidade.

Aplicações da fusão

A princi pal apl icação da fusão é a criação deeletricidade. A fusão nuclear poderá fornecer uma fontel impa e segura de energia para as gerações futuras, com muitas vantagens em relação aos atuais reatores de fissão:

•fornecimento abundante de combustível:o deutério pode ser imediatamente extraído da água do mar e o trítio em excesso pode ser obtido no próprio reator de fusão a partir do l ítio , que está prontamente d isponível na crosta terrestre. O urânio para f issão é raro; além disso, a exploração é d ifíci l e é necessário enriquecê-lo para uso nos reatores;

•segurança:as quantidades de combustível usadas para fusão são pequenas se comparadas aos reatores de f issão. Portanto, não ocorrem l iberações não controladas de energia. Amaior ia dos reatores de fusão produzmenos radiação do que a radiação de fundo natural coma qual convivemos d iar iamente;

•pureza:não ocorre combustão na energia nuclear (fissão ou fusão), e portanto não há poluição do ar;

•menos lixo nuclear:os reatores de fusão não produzirão l ixo nuclear de alto nível como osde fissão; portanto, o descarte não será um problema. Além disso, o l ixo não será material nuclear da categoria de armas nucleares, como é o caso dos reatores de f issão.

A NASA está atualmen te desenvolvendo reatores de fusão de peq uen a esca la para o fornecimento deenergia a foguetes no espaço s ideral . A propulsão a fusãoproporcionaria um fornecimento i l imitado decombustível (hidrogênio), seria mais eficiente e poderia levar a foguetes mais velozes.

Fusão a fr ioEm 1989, pesquisadores nos Estados Unidos e na Grã-Bretanhaafirmaram ter produzido um reator de fusão em temperatura

ambiente sem confinamento de plasma em temperatura elevada.Eles produziram um eletrodo de paládio, o posicionaram emumrecipientede água pesada (óxido de deutério) e passaram umacorrente elétrica através da água. Eles afirmaram que o paládio catalisou a fusão, permitindo que os átomos de deutério ficassempróximos o suficiente para que a fusão ocorresse. No entanto, vários cientistas em diversos países não obtiveram o mesmoresultado.

Mas, em abril de 2005, a fusão a frio obteve grande popularidade. Os cientistas na UCLA (University Califórnia at, Los Angeles, nosEUA) iniciaram a fusão usando um cristal piroelétrico. Elesinseriram o cristal em um pequeno recipiente com hidrogênio, aqueceram o cristal para que produzisse um campo elétrico einseriram um fio metálico norecipiente para focalizar a carga. Ocampo elétrico focalizado repeliu intensamente os núcleos dehidrogênio carregados positivamente e, no afastamento do fio, osnúcleos se chocaram uns com os outros com força suficientepara que ocorresse a fusão. A reação ocorreu em temperaturaambiente. Clique aqui (em inglês) para saber mais.

Para outras informações sobre reatores de fusão nuclear e tópicos relacionados, consulte os l inksrelacionados na próxima página.

Mais informações





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