FUSÃO NUCLEAR: UMA FONTE DE ENERGIA LIMPA,
SEGURA E PRATICAMENTE INESGOTÁVEL
por
Carlos Varandas
Professor Catedrático do Instituto Superior Técnico
Seminário “Socio-Economia da Fusão Nuclear”
IST, 23 de Julho de 2007
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SUMÁRIO
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Introdução
Energia nuclear
Fusão nuclear
Confinamento magnético
Configurações magnéticas
Central eléctrica de fusão
Vantagens da fusão nuclear
Conclusões
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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:
Combustível
Anos
- 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;
Carvão
300
Petróleo
40
Gás natural
50
- A dependência do mundo industrializado dos países produtores de petróleo.
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• 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:
Diversidade
Flexibilidade
Rentabilidade
poupança de energia
melhoria do rendimento das
fontes de energia
Recurso a outras formas de energia
- energias renováveis (solar, eólica, biomassa, ...)
- energia nuclear (fissão)
Investimento na investigação de novas fontes energéticas:
- pilhas de hidrogénio
- fusão nuclear
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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.
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• Estas reacções libertam energia porque há redução da massa
dos reagentes
D+T
He4 + n
• 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.
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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.
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• 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
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4. Confinamento magnético
• O movimento de uma partícula
carregada (carga q e massa m)

num campo magnético B é gerido pela equação 

F  ma

em que F é a Força de Lorentz

 
F  qv  B
• A partícula descreve uma trajectória circular em volta das linhas de
força do campo magnético, com um raio
rL 
vo 
c

v
em que o  é a componente da velocidade inicial perpendicular a B e
qB
c 
m
é a frequência ciclotrónica
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• A expressão
vo m
rL 
qB
Electrão

B
Ião
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
vo  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.
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• O sentido da rotação da partícula
carregada é determinado pelo
princípio da acção e reacção.
• 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.
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5. Configurações magnéticas
Tokamak
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JET
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ISTTOK
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6. Central eléctrica de fusão
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7. Vantagens da fusão nuclear
- A fusão será uma tecnologia energética, limpa, poderosa,
praticamente inesgotável, segura, “amiga do ambiente” e
economicamente atractiva
- Limpa
• Não há libertação de gases para a atmosfera criadores do efeito de
estufa e das chuvas ácidas
- Poderosa
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
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- Praticamente inesgotável
• Os combustíveis (D e T) podem ser facilmente obtidos em qualquer
parte da Terra:
- O Deutério pode ser extraído da água
Combustível
Anos
- O Trítio, elemento radiocativo com uma vida
Deutério
3x1011
média da ordem de 12.4 anos, pode ser
Lítio
produzido no interior do reactor, usando a
Terra
30 000
reacção de um neutrão com uma camada
Oceanos
30x106
fértil de Lítio.
Li6 + n
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T + He4 + 4.8 MeV
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- Segura
• 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
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- Amiga do ambiente
• A operação de rotina de uma central eléctrica de fusão não requer
o transporte de material radioactivo fora do reactor.
• 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.
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8. CONCLUSÕES
• 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;
• Mas, e apesar dos progressos já feitos, ainda não está disponível.
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