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Seminário “Socio-Economia da Fusão Nuclear” IST, 23 de Julho de 2007 1

FUSÃO NUCLEAR: UMA FONTE DE ENERGIA LIMPA, SEGURA E PRATICAMENTE INESGOTÁVEL

por

Carlos Varandas

Professor Catedrático do Instituto Superior Técnico


SUMÁRIO

1. Introdução2. Energia nuclear3. Fusão nuclear4. Confinamento magnético5. Configurações magnéticas6. Central eléctrica de fusão7. Vantagens da fusão nuclear8. Conclusões


1. Introdução• O aumento da população mundial e o desenvolvimento

económico, social e tecnológico conduzem ao aumento do consumo de energia

• As necessidades energéticas da Humanidade têm sido substancialmente satisfeitas com o recurso à queima dos combustíveis fósseis: carvão, petróleo e gás natural.

• O recurso sistemático aos combustíveis fósseis coloca três problemas sérios: - As reservas naturais são limitadas;

- A queima dos combustíveis fósseis liberta gases para a atmosfera que são responsáveis pelas chuvas ácidas e pelo efeito de estufa;

Combustível Anos

Carvão 300

Petróleo 40

Gás natural 50

- A dependência do mundo industrializado dos países produtores de petróleo.


• A Humanidade, consciente do impacto dos problemas atrás referidos no ambiente, no clima, no desenvolvimento social e no equilíbrio geo-político, tem procurado encontrar soluções globais para o problema energético.

• Uma solução global deve contemplar os seguintes aspectos:

Flexibilidade RentabilidadeDiversidade

Investimento na investigação de novas fontes energéticas: - pilhas de hidrogénio - fusão nuclear

Recurso a outras formas de energia - energias renováveis (solar, eólica, biomassa, ...) - energia nuclear (fissão)

poupança de energia

melhoria do rendimento das fontes de energia


2. Energia nuclear

• Existem dois tipos de reacções nucleares que conduzem à libertação de quantidades significativas de energia:

- Fissão

Desagregação de átomos de um elemento

pesado: urânio, plutónio e tório

- Fusão

Fusão de átomos de dois elementos leves:

deutério, trítio (dois isótopos do hidrogénio) e hélio.


• Estas reacções libertam energia porque há redução da massa

dos reagentes

• As reacções de fissão são usadas nas actuais centrais nucleares

para produzir energia eléctrica

• As reacções de fusão ocorrem no Sol e nas outras estrelas. O

Homem tenta utilizá-las, de uma forma controlada, nos

laboratórios para a produção de energia de fusão, que possa

ser utilizada na geração de energia eléctrica.

D + T He4 + n


3. Fusão nuclear

• Principais reacções de fusão nuclear

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

• A análise destas reacções e da Figura permite tirar as seguintes conclusões:- A melhor reacção é sem dúvida a que envolve D+He3 porque: (i) liberta a maior

quantidade de energia, e (ii) não produz neutrões.- Contudo, esta reacção não pode ser conseguida num laboratório: (i) os átomos têm de

possuir uma energia muito elevada; e (ii) o He3 é um elemento que não existe na Terra.- A reacção mais fácil de obter num laboratório é a que envolve D-T. Mesmo assim, os

reagentes devem estar a temperaturas da ordem dos 10-20 keV.


• 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 partículas carregadas

é influenciado por forças de longo alcance, do tipo da Lei de Coulomb.

• Há três processos principais para obrigar os átomos de D e T a fundirem-se:

- Confinamento gravitacional

- Confinamento magnético

- Confinamento inercial


4. Confinamento magnético

• O movimento de uma partícula carregada (carga q e massa m) num campo magnético é gerido pela equação

em que é a Força de Lorentz

B

amF

F

BvqF

• A partícula descreve uma trajectória circular em volta das linhas de força do campo magnético, com um raio

em que é a componente da velocidade inicial perpendicular a eov B

é a frequência ciclotrónica

c

oL

vr

m

qBc


• A expressão

qB

mvr oL

permite tirar as seguintes conclusões:- Quanto maior for a intensidade do campo magnético, menor é o raio de

Larmor, ou seja, maior é o confinamento do meio;

- Quanto maior for a massa da partícula, menor é o seu confinamento;

- Quanto maior for a temperatura do meio, maior será e portanto menor

será o confinamento. Ou seja, quanto mais quente é o plasma, maior tem de

ser a intensidade do campo magnético de confinamento.

ov

Ião

Electrão B


• Os campos magnéticos são criados, consoante a sua intensidade, por:

- Imans;

- Bobinas de cobre, arrefecidas a ar;

- Bobinas de cobre, arrefecidas a água ou azoto líquido;

- Bobinas supercondutoras.

• O sentido da rotação da partícula carregada é determinado pelo princípio da acção e reacção.


5. Configurações magnéticas

StellaratorTokamak


ISTTOKJET


6. Central eléctrica de fusão


7. Vantagens da fusão nuclear

• Não há libertação de gases para a atmosfera criadores do efeito de estufa e das chuvas ácidas

- A fusão será uma tecnologia energética, limpa, poderosa, praticamente inesgotável, segura, “amiga do ambiente” e economicamente atractiva

- Poderosa

- Limpa

Uma reacção de fusão é 100 vezes mais poderosa que uma reacção de fissão, que por sua vez é 100 000 vezes mais poderosa que uma reacção química

Para produzir 1 MW durante um ano são necessárias 2500 t de carvão, 1500 t de petróleo, 700 t de gás, 25 kg de urânio ou 250 gr. de Deutério


• Os combustíveis (D e T) podem ser facilmente obtidos em qualquer parte da Terra:

- O Deutério pode ser extraído da água

- O Trítio, elemento radiocativo com uma vida

média da ordem de 12.4 anos, pode ser

produzido no interior do reactor, usando a

reacção de um neutrão com uma camada

fértil de Lítio.

Combustível AnosDeutério 3x1011

Lítio

Terra 30 000

Oceanos 30x106

Li6 + n T + He4 + 4.8 MeV

- Praticamente inesgotável


• Uma central eléctrica de fusão será inerentemente segura devido a duas razões principais:- Não é possível gerar grandes quantidades de energia incontrolada, dado que a quantidade de combustível no interior do reactor é pequena;- As reacções de fusão podem ser quase instantaneamente interrompidas, dado que os combustíveis entram para o reactor à medida que vão sendo utilizados

- Segura


• Os produtos das reacções de fusão são cinzas (He4) e neutrões, pelo que não se criam lixos radioactivos, como ocorre numa central de fissão

• A existência de neutrões conduz à activação das paredes de um reactor de fusão.Uma escolha criteriosa dos materiais usados na construção de um reactor permite prever que esta actividade desapareça ao fim de cerca de 100 anos, um tempo muito curto comparado com os milhares de anos necessários para a descontaminação dos lixos radioactivos de uma central de fissão.Com o desenvolvimento de novos materiais é de esperar que os componentes de um reactor de fusão percam a sua actividade num máximo de 30 a 40 anos.

- Amiga do ambiente

• A operação de rotina de uma central eléctrica de fusão não requer o transporte de material radioactivo fora do reactor.


• A fusão nuclear constitui uma tecnologia energética, com grande potencial, para poder contribuir para uma solução global do problema da energia para um desenvolvimento sustentável da nossa sociedade;

8. CONCLUSÕES

• Mas, e apesar dos progressos já feitos, ainda não está disponível.

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