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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


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


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.


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


• 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


4. ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS


5. ENERGIA ELÉCTRICA


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


6.2. Ionization


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

Gas Plasma


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)


• 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


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


20

0

en

TkN eD

Debye Length

Electron Temperature

Plasma Density


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


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


Electron

Ion


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


Oscilador

0

20

m

enpe


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


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


8. COMPONENTS OF A PLASMA EXPERIMENT

• Vacuum Chamber

• Vacuum System (SV)

Glass

Stainless Steal

Rotative Pump

Turbomolecular Pump


• Pressure Measuring System (SMP)

• Gas Injection System

(SIG)


• Magnetic Field for the Plasma Confinement

Natural Magnets

Magnets of fio de cobre

Magnets of de folhas de cobre

Superconducting Magnets


• Systems for the gas ionization

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