T E O R I A     (Referencial Físico Matemático)
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1. A FUSÃO NUCLEAR CONTROLADA         
 

Os atuais reatores nucleares usam a fissão nuclear para gerar energia. Fissão nuclear é o processo da quebra de núcleos pesados em núcleos mais leves, liberando uma grande quantidade de energia. Em um reator nuclear convencional, os nêutrons de alta energia dividem átomos pesados de urânio, proporcionando grandes quantidades de energia, radiação e lixo radioativo por longos períodos de tempo.

Na fusão nuclear, a energia é obtida quando dois núcleos leves se fundem para formar um núcleo mais pesado, liberando uma quantidade muito grande de energia. Em um reator de fusão, núcleos de isótopos de hidrogênio se agrupam para formar núcleos de hélio, nêutrons e grandes quantidades de energia. Esse é o mesmo tipo de reação utilizado pelas bombas de hidrogênio e pelo Sol. Essa seria uma fonte de energia mais limpa, segura, eficiente e abundante do que a fissão nuclear.

Há vários tipos de reações de fusão. A maioria envolve os núcleos dos isótopos de hidrogênio (1H) denominados dêuterons (2H) e tríton (3H), nada mais do que átomos de  deutério e o trítio (ou trício) sem seus respectivos elétrons. O átomo de deutério (2H) é igual ao átomo de hidrogênio (1H) acrescido de um nêutron.

Reações dêuteron-tríton: um núcleo do átomo de deutério e um núcleo do átomo de trítio são combinados para formar um núcleo de hélio e um nêutron. A maior parte da energia liberada está na forma de nêutrons de alta energia, como mostra a figura 1.


De forma conceitual, a utilização de fusão nuclear em um reator não é complexa. No entanto, tem sido extremamente difícil para os cientistas chegar a uma forma controlável e não destrutiva de fazê-lo.


Figura 1 - Três fases da reação de fusão nuclear entre núcleos de deutério e trítio:  1 – núcleos de deutério e trítio são acelerados até uma velocidade que permita o início da reação. 2 - é criado um núcleo instável de 5He. 3 - a ejeção de um nêtron e a expulsão de um núcleo de 4He.

A abundância isotópica do deutério, a fonte de dêuterons para esta reação, é de apenas uma parte em 6700, mas este isótopo do hidrogênio pode ser extraído em quantidades praticamente ilimitadas da água do mar. Os defensores da energia nuclear argumentam que, depois que os combustíveis fósseis se esgotarem, teremos apenas duas escolhas para gerar energia: “queimar pedra” (fissão do urânio extraído de rochas) ou “queimar água”(fusão do deutério extraído da água).

No entanto, na reação mostrada, os prótons em cada núcleo tenderão a se repelir por terem a mesma carga (positiva). Assim, para obter a fusão, é necessário criar condições especiais para vencer esta barreira coulombiana entre os prótons. A seguir, apresentaremos as condições para tornar possível a fusão.

a) Alta temperatura: o plasma deve estar muito quente, caso contrário os núcleos de deutério e trítio não terão energia suficiente para vencer a barreira de Coulomb que tende a mantê-los afastados. 

  • DEUTÉRIO e TRÍTIO – Elementos leves que quando interagem em fusão, possuem a menor Barreira Coulombiana, em torno de 0,1 MeV.  Para romper este valor de 0,1 MeV é necessário que o sistema termonuclear seja elevado a uma temperatura de 100 milhões de Kelvin(aproximadamente seis vezes mais quente que o núcleo do sol). 

Nessas temperaturas, tanto o deutério como o trítio estarão totalmente ionizados (perdem seu elétron), formando um plasma (gás ionizado e condutor) de dêuterons, trítons e elétrons. O fato de o plasma ser constituído por partículas carregadas faz com que ele possa ser confinado por campos magnéticos.

b) Alta concentração de partículas: a concentração de partículas carregadas(número de dêuterons por unidade de volume, por exemplo) deve ser suficiente para assegurar um grande número de colisões por unidade de tempo. Eles devem estar a 1x10-15 metros um do outro para que ocorra a fusão.

  • O sol utiliza sua massa e a força da gravidade para comprimir os dêuterons e aumentar a concentração.
  • Em reatores a fusão nuclear, é necessário agrupar os dêuterons e elétrons usando intensos campos magnéticos (ímãs supercondutores), potentes lasers ou feixes de íons.
c) Um longo tempo de confinamentographic: um problema difícil é conter o plasma durante um tempo suficiente para que as reações de fusão ocorram. O tempo de confinamento de energia é uma medida de quanto tempo a energia do plasma é mantida antes de ser perdida. É evidente que nenhum recipiente sólido poderia suportar as altas temperaturas necessárias para a fusão, de modo que é preciso usar outras técnicas de confinamento, duas das quais serão discutidas a seguir.

Há três formas de atingir as temperaturas e concentrações necessárias para que a fusão de núcleos de isótopos do hidrogênio ocorra:

    o confinamento magnético: usa intensos campos magnéticos e elétricos para aquecer e comprimir o plasma de hidrogênio. O projeto ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), na França, está usando este método;  

     o confinamento inercial: uma pequena esfera de uma mistura de deutério e trítio é bombardeada de todos os lados por raios laser de alta intensidade, que fazem o material da superfície evaporar. Esta evaporação provoca uma onda de choque que comprime a parte central da esfera, aumentando drasticamente a densidade e a temperatura do material. O processo é chamado de confinamento inercial porque o que impede que o plasma escape da região de confinamento é a inércia do material utilizado como fonte de plasma. Os cientistas estão estudando esta abordagem experimental na National Ignition Facility do Laboratório Lawrence Livermore nos Estados Unidos;

     o confinamento gravitacional: este confinamento é impossível de ocorrer na Terra, uma vez que está associado apenas à enorme massa das estrelas e conseqüente gigantesca força gravitacional, que consegue confinar o plasma.


    A figura 2 ilustra os efeitos e sistemas que utilizam os tipos de confinamento citados.
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Figura 2 - Processos de confinamento de plasmas formados pela fusão de núcleos de isótopos de hidrogênio.

A figura 3 compara os processos de confinamento magnético e inercial em termos da densidade de plasma de hidrogênio gerada no reator em função do tempo de confinamento. É possível demonstrar que, para um reator termonuclear baseado na reação dêuteron-tríton produzir mais energia do que consome, é preciso que:

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Esta condição, conhecida como critério de Lawson, mostra que temos uma escolha entre confinar muitas partículas por pouco tempo ou poucas partículas por muito tempo.

Figura 3 - Relação entre a densidade de plasma e o tempo de confinamento, ilustrando a região de operação para cada tipo de confinamento possível em laboratórios. 

Segundo o gráfico mostrado na figura 3, para a fusão sustentada ocorrer por confinamento magnético, as seguintes condições de plasma precisam ser mantidas (simultaneamente):

*temperatura do Plasma: (T) 100 milhões de Kelvin;

*tempo de confinamento na temperatura acima: (graphic) 4-6 segundos;

*densidade de plasma: (n) 1-2 x 1020 partículas m-3. Note que em altas densidades de plasma, o tempo de confinamento necessário será menor.


2. REATORES A FUSÃO POR CONFINAMENTO MAGNÉTICO - O TOKAMAK

Em um Tokamak (câmara toroidal com campo magnético axial), o plasma é mantido longe das paredes por duas componentes de campo magnético:

 O campo toroidal (axial) - que produz um campo em torno do toro. Este é mantido por bobinas de campo magnético em torno da câmara de vácuo. O campo toroidal fornece o principal mecanismo de confinamento das partículas de plasma, como mostra a figura 4

 O campo poloidal - que produz um campo ao redor da seção transversal de plasma. Atua para manter a posição e a forma de seção do plasma afastando-o das paredes. O campo poloidal é induzido tanto a nível interno, gerado pela própria corrente no plasma (um dos mecanismos do aquecimento do plasma) e, externamente, por bobinas que estão posicionadas ao redor do perímetro do toróide.





Figura 4 - Reator de fusão nuclear - Tokamak - Um reator desse formato é denominado tokamak. "Tokamak" é um acrônimo russo para "câmara toroidal com campo magnético axial".

Num tokamak, o aquecimento do plasma para atingir temperaturas da ordem de 100 milhões de graus Celsiuns é feito pela conjugação de três efeitos, como mostra a figura 5.

2.1 Aquecimento ôhmico

Uma vez que o plasma é um condutor elétrico, é possível aquecer o plasma, passando uma corrente através dele, na verdade, a corrente que gera o campo poloidal também aquece o plasma. A corrente é gerada por indução como em um transformador elétrico. Neste caso, uma corrente primária variável é aplicada num conjunto de anéis (bobina primária) situados no centro do toróide, como mostra a figura 4. O aquecimento ôhmico (ou resistivo) é o mesmo tipo de aquecimento que ocorre em uma lâmpada elétrica ou em um aquecedor elétrico. O calor gerado depende da resistência do plasma e da corrente. Mas à medida que a temperatura do plasma aumenta, o aquecimento ôhmico torna-se menos eficaz (a resistividade do plasma diminui com o aumento da temperatura, tornando-o mais condutor). A temperatura do plasma máxima atingível pelo aquecimento ôhmico de um tokamak fica na faixa de 20-30 milhões de graus Celsius, para correntes da ordem de 5 milhões de ampères. Para obter temperaturas ainda mais elevadas, métodos de aquecimento adicionais devem ser usados, como segue.

2.2 Injeção de feixes de partículas neutras

Neste método, íons de deutério e trítio são acelerados por tensões da ordem de 140.000 volts e são neutralizados antes de penetrarem na região de plasma, gerando, assim, um feixe de partículas neutras de alta energia. Quando inserimos feixes de isótopos de hidrogênio na região de plasma, estes são imediatamente ionizados e são capturados pelo campo magnético. Os íons de alta energia transferem parte da sua energia para as partículas do plasma em colisões repetidas, aumentando assim a temperatura do plasma.

2.3 Aquecimento por radiação de rádio-frequência(RF)

O plasma pode absorver a energia das ondas eletromagnéticas em frequências características do ambiente. Este aquecimento por ondas eletromagnéticas é transmitido para o plasma por antenas que cobrem uma parte da área de confinamento. A escolha da frequência define o tipo de partículas (íons ou elétrons) que será aquecido. Assim, no aquecimento por ondas eletromagnéticas de alta frequência (MHz), a energia da onda é transferida para as partículas carregadas do plasma, que por sua vez colidem com outras partículas, aumentando assim sua temperatura.  




Figura 5 - a) Ilustração das componentes do campo toroidal (axial), poloidal e o campo resultante da superposição destes campos. b) Métodos de aquecimento da região de plasma gerado por confinamento magnético em um Tokamak.

Fonte: http://www.jet.efda.org/pages/fusion-basics/fusion3.html


3. REATORES A FUSÃO POR CONFINAMENTO INERCIAL
A National Ignition Facility (NIF), do Laboratório Lawrence Livermore, realiza  experimentos usando feixes de laser para induzir a fusão. No dispositivo da NIF, 192 feixes de laser serão focalizados em um único ponto em uma câmara de alvos com 10 metros de diâmetro, chamada de hohiraum (cavidade, em alemão).

No ponto focal dentro da câmara de alvos haverá uma esfera (do tamanho de uma ervilha) de deutério-trítio inserida em um pequeno cilindro de plástico. A energia dos lasers (1,8 milhão de joules) irá aquecer o cilindro e irá gerar raios X. O aquecimento e a radiação converterão a esfera em plasma e irão comprimi-lo até que a fusão ocorra. A reação de fusão terá uma breve vida útil, em torno de um milionésimo de segundo, mas irá render de 50 a 100 vezes mais energia do que a necessária para iniciar a reação de fusão. Um reator desse tipo teria vários alvos, que poderiam ser ativados em sequência para gerar produção de calor sustentável. A figura 6 ilustra a sequência dos processos citados.

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Figura 6 - Processo de fusão por confinamento inercial.

4. CENTRAL ELÉTRICA A FUSÃO NUCLEAR

As reações de fusão ocorrem no Sol e nas estrelas por confinamento gravitacional. Como vimos, o Homem tenta utilizá-la, de uma forma controlada, nos laboratórios, para a produção de energia de fusão, principalmente por meio do confinamento magnético do plasma em tokamaks. A figura 7 ilustra os principais tokamaks construídos e em projeto, no mundo. O ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) é um passo necessário entre o JET (Joint European Torus) e um protótipo de uma central de energia de fusão (DEMO-PROTO) que poderá demonstrar a produção energia em larga escala prevista para daqui a 35 anos.

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Figura 7 - Reatores a fusão nuclear por confinamento magnético: JET (em operação), ITER (em construção e testes) e DEMO (somente protótipo). Q é a razão entre a potência gerada no processo de fusão e a potência elétrica utilizada. Quando Q>1, o reator gera mais energia do que consome.

Fonte: www.cfn.ist.utl.pt

O ITER consiste numa central de fusão nuclear planejada para gerar mais energia do que consome por confinamento magnético do plasma (Tokamak com Q=10). O campo magnético toroidal de 5,3 T será produzido por bobinas supercondutoras e a corrente nominal de plasma é de 15 MA, gerando em torno de 500 MW de potência de fusão. Localizado em Cadarache, na França, o ITER deverá entrar em operação no ano de 2016.

4.1 Vantagens da fusão nuclear

·     LIMPA: não há liberação de gases para atmosfera criadores do efeito estufa e das chuvas ácidas.
·     1 g de combustível de fusão poderá gerar a mesma energia elétrica (100.000 kW.hora) obtida pela queima de 8 toneladas de carvão.
·     Os produtos das reações de fusão são cinzas (He4) e nêutrons, e não se criam lixos radioativos. 

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    ·     Os combustíveis básicos, tais como deutério e lítio, não são radioativos, sendo abundantes na natureza e distribuídos de modo uniforme na crosta terrestre;
-  O deutério pode ser extraído da água do mar;
      -  O trítio (T ougraphic), elemento radioativo com uma vida média de 12,4 anos, pode ser produzido no interior do próprio reator. Como no núcleo do reator são produzidos nêutrons que transportam cerca de 80 % de energia da reação (cerca de 14 MeV), estes, por serem neutros, escapam do campo magnético e podem ser desacelerados em uma camada de Lítio, suficientemente espessa, constituída ao redor do núcleo do reator, como mostram as figuras 8 e 9. Neste processo, é gerado o Trítio nas seguintes possíveis reações:

 

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Figura 8 - Esquema da geração de trítio e hélio-4 a partir da interação de nêutrons de alta energia com uma camada de lítio que envolve o núcleo do reator a fusão nuclear por confinamento magnético.
Estes são recuperados e retornam para o núcleo do reator (veja figura 9).

4.2 Central elétrica de fusão será inerentemente segura

·    A operação de rotina de uma central elétrica de fusão não requer o transporte de material radioativo fora do reator.
·    As reações de fusão podem ser quase instantaneamente interrompidas, dado que os combustíveis entram para o reator à medida que vão sendo utilizados.
·    A existência de nêutrons de elevada energia (graphic) conduz a ativação das paredes de um reator de fusão. Com o desenvolvimento de novos materiais, é de se esperar que os componentes de um reator de fusão percam sua atividade num máximo de 30 a 40 anos.

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Figura 9 - Esquema de uma central elétrica a fusão nuclear.
Fonte: IFT – Centro de Fusão Nuclear. www.cfn.ist.utl.pt.
  • O calor gerado na camada de lítio que envolve o núcleo do reator é transferido para um circuito fechado de água. Para extrair o máximo de calor possível, a água é mantida a uma temperatura elevada, da ordem de
    300 oC. Para evitar que a água entre em ebulição, o que ocorre a 100 oC à pressão ambiente (1 atmosfera), a água é pressurizada a mais de 150 atmosferas. A água quente é bombeada para um trocador de calor, onde o calor é transferido para a água que circula em um segundo sistema fechado. O calor transferido para o segundo sistema produz vapor (gerador de vapor), que é usado para mover uma turbina. A turbina está acoplada a um gerador de eletricidade (dínamo), que é enviada para fora da usina por meio de linhas de transmissão de alta tensão. Depois de sair da turbina, o vapor é transformado novamente em água em um condensador antes de voltar para o trocador de calor.