SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA
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
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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
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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.
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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
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• 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
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4. ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS
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5. ENERGIA ELÉCTRICA
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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
Energy
Energy
Energy
ICE
WATER
WATER VAPOUR
IONIZED GAS
SOLID
LIQUID
GAS
PLASMA
PLASMAS ARE THE FOURTH STATE OF THE MATTER
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6.2. Ionization
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6.3. Definition of plasma
•Plasma is an ionized gas, quasi neutral, with collective
behaviour
Gas
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Plasma
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In a plasma
In the vacuum
P
x
r
q
1
q
V
4 0 r
In a plasma
P
x
r
1
q
V
e
4 0 r
V(r)
L  D

r
D
vacuum
plasma
r
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• Individual behaviour
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 testparticle.
r
q1
F
q2
1
4 0
q1q2
q1
q2
F
r2

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q2
q2
1
q1
4 0 r 2
n0
4 0
r 3 n0
q1 r
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Quasi Neutral
• Charge of the electrons  charge of the ions
• A plasma shields any applied potential
1
q
V 
4 0 r
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
r
D
q
V
e
4 0 r
1
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ND 
 0 k Te
n0 e
Electron Temperature
2
Plasma Density
Debye Length
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6.4. Typical parameters of a Plasma
6.4.1. Plasma Frequency
A charged particle of a plasma moved from its equilibrium position stays
oscillating.
+
+
-
+
+
-
+
+
-
+
+
-
+
+
-
+
+
-
+
+
-
+
+
-
+
+
-
+ + + + +
- - + + + + +
- - - - -
+
+
-
+
+
-
+ + + + +
- - + + + + +
- - - - -
 pe 
n0 e 2
m0
6.4.2. Cyclotronic Frequency
A charged particle in a magnetic field describes a circular orbit with a
radius (Larmor Radius (rL)), with a frequency :
qB
ce 
m
rL 
v
ce
v m

qB
rL decreases when the magnetic field increases, meaning that the
plasma confinement improves when the intensity of the magnetic field
increases
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x
Vector 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)
-
+
SR
X
B
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X
SR
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B
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Electron
Ion
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6.5. Plasma conditions
 Not all the ionized gases are plasmas
 For an ionized gas to be a plasma it is necessary:
• 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
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 Oscilador

 pe 
n0 e 2
m 0
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6.6. Ocorrence of Plasmas
- Natural Plasmas
- Ionosphere
- Solar Wind
- Boureal Auroras
- Laboratorial Plasmas
- Cold Plasmas
- Fusion Plasmas
- Industrial Applications
- Lâmpadas
- Surface Treatment
- Material Processing
- Sterlization of laboratorial equipment
- Waste Treatment
- Motores de Propulsão
- Plasma Welding
- Fusion Power Station
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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.
qB
C 
m
rL 
v
C
C
Frequência ciclotrónica
B
Intensidade do campo magnético
q
Carga da partícula
m
Massa da partícula
rL
v
Raio da órbitra
Componente da velocidade da partícula no
plano perpendicular ao campo
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8. COMPONENTS OF A PLASMA EXPERIMENT
• Vacuum Chamber
 Glass
 Stainless Steal
• Vacuum System (SV)
 Rotative Pump
 Turbomolecular Pump
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• Pressure Measuring System (SMP)
• Gas Injection System
(SIG)
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• Magnetic Field for the Plasma Confinement
 Natural Magnets
 Magnets of fio de cobre
 Magnets of de folhas de cobre
 Superconducting Magnets
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• Systems for the gas ionization
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