Fusão termonuclear controlada
Edson Del Bosco
Laboratório Associado de Plasma - LAP
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE
[email protected]
www.plasma.inpe.br
III Encontro de Verão de Física do ITA
Instituto Tecnológico da Aeronáutica – ITA/CTA
18 a 22 de fevereiro de 2008
Tópicos
• Energia
• Energia nuclear
• Fusão nuclear
• Processos de obtenção
• Confinamento magnético
• Tokamak
• Reator de fusão
• ITER
• Fusão no Brasil
Edson Del Bosco LAP/INPE
• Energia
• Energia nuclear
• Fusão nuclear
• Processos de obtenção
• Confinamento magnético
• Tokamak
• Reator de fusão
• ITER
• Fusão no Brasil
Edson Del Bosco LAP/INPE
Questão energética
Energia
Problemas e soluções que afetam as decisões na área de energia
• Taxa de crescimento populacional
• Crescimento de países em desenvolvimento (China, Índia, Brasil)
• Qualidade de vida (consumo de energia per capita)
• Meio ambiente (efeito estufa – CO2 – chuva ácida – enxofre)
• Recursos reais de combustíveis e novas tecnologias de extração
• Novas tecnologias de conservação (eficiência) e de geração de energia
• Tecnologias mais eficazes de armazenamento de energia e de rejeitos
• Interesses políticos & econômicos
• Guerras & catástrofes
Assunto com muitas incertezas e extremamente polêmico
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Taxa de consumo de energia
Energia
Valores do ano 2000
Possível cenário
para o ano 2050
Necessidade
- Potência instalada: ~13,3TW
- População: 6,08 Bilhões
- Consumo médio: 2,2 kW/p
- População: 10 Bilhões
- Consumo médio: 3 kW/p
~ 30 TW
(1T = 1012)
Exemplos de “consumo”
de energia
• EUA
12 kW/p
• Suíça
6 kW/p
• Japão
5 kW/p
• Brasil
1,8 kW/p
• Índia
0,2 kW/p
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Problemas das fontes atuais
Energia
• Fontes primárias de energia (2002)
- Petróleo:
- Carvão:
- Gás:
- Nuclear (Urânio):
- Hidroelétrica:
- Outras (solar, vento, etc):
37,9%
24,1%
23,5%
6,63%
6,56%
1,31%
Fossil: 85,5%
• Problemas
• Reservas limitadas: petróleo
• Efeitos nocivos ao meio ambiente (CO, CO2, chuva ácida): fósseis
• Efeitos ecológicos de grande escala: hidroelétrica, biomassa
• Fontes localizadas e não constantes: solar, eólica, hidroelétricas
• Alto potencial de destruição (ameaça ao meio ambiente): fissão nuclear
• Pequena escala: solar, eólica, geotérmica
• Armazenamento: solar, eólica
Existe espaço e motivação para a busca de novas fontes de energia
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• Energia
• Energia nuclear
• Fusão nuclear
• Processos de obtenção
• Confinamento magnético
• Tokamak
• Reator de fusão
• ITER
• Fusão no Brasil
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Energia nuclear
Energia de “empacotamento”
• Energia de empacotamento ou de ligação “Binding” é a energia equivalente à
diferença entre a massa do núcleo formado e a soma das massas individuais
dos seus constituintes (prótons e nêutrons)
• Quanto maior a energia de empacotamento por núcleon mais estável é o
átomo (núcleo)
• Energia nuclear é liberada nas reações que resultam num aumento da
energia de empacotamento:
- fissão de elementos “pesados”
- fusão de elementos “leves”
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Equação de Einstein
Energia nuclear
B/A = (Z mp + N mn – Ma) c2 / A
E = mc2
Massa de repouso dos
constituintes
n
Nêutron
1,008665 u
p
Próton
1,007276 u
D
Deutério
2,013553 u
T
Trítio
3,01550 u
He-3
Hélio – 3
3,014932 u
He-4
Hélio - 4
4,001506 u
Massa de repouso do
núcleo formado
- 1 u (unidade de massa atômica) = 1,66054 x 10-27kg = 931,466 MeV/c2
- c = 2,9979x108 m/s
• A fissão de um átomo de urânio libera 208 MeV → 0,88 MeV / núcleon
• A fusão de 4 átomos de hidrogênio libera ~25 MeV → 6,25 MeV / núcleon
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Fissão
Energia nuclear
• A energia nuclear está “associada” à energia de fissão (fatores históricos)
• A fissão foi descoberta no ano de 1939 bombardeando-se U235
(abundância de apenas 0,7%) com nêutrons de baixa energia (0,025 eV)
• Reação de fissão típica:
on
1
+
92U
235
36Kr
92
+
56Ba
141
+ 3 o n1
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Fissão na matriz energética
Energia nuclear
• Angra 1 e 2
• Angra 3
~2 GW
~1,35 GW ( construção: até 2013 – custo: US$ 4,5Bi )
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• Energia
• Energia nuclear
• Fusão nuclear
• Processos de obtenção
• Confinamento magnético
• Tokamak
• Reator de fusão
• ITER
• Fusão no Brasil
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Fusão nuclear
Ocorrência
• Fusão é o processo de obtenção de energia mais importante do universo
• O Sol e todas as estrelas conhecidas produzem energia via fusão de
elementos leves ( Sol: ciclo do próton – próton)
• A vida na Terra e todas as outras formas de energia têm origem na fusão
O objetivo das pesquisas em fusão
“trazer” para Terra
a mesma fonte de energia existente nas estrelas
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Deutério/trítio
Fusão nuclear
• Dentre as mais de 80 reações de fusão possíveis, a que envolve os dois
isótopos de hidrogênio (Deutério e Trítio) é a mais atrativa e certamente será
a escolhida para alimentar o primeiro reator de fusão na Terra
D + T → 4He (3,517 MeV) + n (14,069 MeV)
1 kg de (D + T) pode liberar 108 kWh de energia
usina de 1GW por 1 dia
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Combustíveis para a fusão
Fusão nuclear
• Deutério (D): isótopo estável com abundância de 1 parte em 6700 (30g/m3)
• Trítio (T): isótopo radioativo (T1/2= 12,3 anos)
decaimento beta para 3He
D → praticamente inesgotável: obtido de águas de lagos e oceanos
T → não existe na natureza e deve ser produzido artificialmente
• A principal fonte de trítio é o lítio através do bombardeamento por nêutrons
6Li
+ n (lentos) → T + 4He + 4,8 MeV
7Li
+ n (rápidos) → T + 4He + n (lentos) – 2,5 MeV
Os “combustíveis” para um reator de fusão são: Deutério e Lítio
Custo:
D → U$1000/kg
6Li → U$40/kg
Reservas:
(na taxa atual de consumo)
D → > Milhões de anos
6Li → > 30.000 anos (crosta)
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Fusão nuclear
Vantagens e desvantagens
• Produção em larga escala
• Combustível abundante e barato
• Efeitos mínimos ao meio ambiente
Vantagens:
• Fonte universal
• Lixo radioativo de pequena meia-vida
• Inerentemente segura
• Não necessita armazenamento
• Necessita pesquisa
Desvantagens:
• Radioatividade do trítio
• Grande fluência de neutros de alta energia
• Transmutação radioativa (novos materiais)
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Comparações de consumo
Fusão nuclear
Consumo de combustível aproximado para operar uma usina de
1GW por um ano
Fusion
0.6 tonnes
1 pickup
Fission
150 tonnes of Uranium
8 large trucks
Oil
10 Million of Barrels
7 super tankers
Coal
2.1 Million of tonnes
191 trains with 110 cars each
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• Energia
• Energia nuclear
• Fusão nuclear
• Processos de obtenção
• Confinamento magnético
• Tokamak
• Reator de fusão
• ITER
• Fusão no Brasil
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Estrelas/Laboratório
Processos de obtenção
No Universo:
O Sol produz fusão devido à enorme força
gravitacional (100 vezes maior que a densidade da
água na Terra) e com temperaturas da ordem de 10
-15 milhões oC (núcleo) → cadeia próton-próton
• Fusão por confinamento magnético (MCF)
• Fusão por confinamento inercial (ICF)
Em laboratório:
• Catalização por múon
• Fusão a frio
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Processos de obtenção
Confinamento inercial
• Minúsculas porções de D/T sólidos são rapidamente comprimidos e
aquecidos por ondas de choque provenientes de laser de alta potência
(aplicação militar)
• As partículas são confinadas pela própria inércia
Fusão por Confinamento Inercial ( ICF): n ↑
↓ T↑
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Processos de obtenção
Confinamento magnético
• Partículas carregadas são aquecidas e confinadas em geometrias
apropriadas por campos eletromagnéticos intensos que impedem o contato
das mesmas com as paredes da câmara de vácuo por um determinado tempo
Fusão por Confinamento Magnético (MCF): n ↓
↑ T↑
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Processos de obtenção
Comparação
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• Energia
• Energia nuclear
• Fusão nuclear
• Processos de obtenção
• Confinamento magnético
• Tokamak
• Reator de fusão
• ITER
• Fusão no Brasil
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Plasma
Confinamento magnético
• Energia é necessária para ultrapassar a barreia de potencial da força
repulsiva de Coulomb existente entre dois núcleos (prótons) carregados:
U = e2 / 4πεo r
• O método mais promissor baseia-se no aquecimento dos íons a
temperaturas suficientemente altas de forma que a energia térmica dos
mesmos sobreponha a barreira de Coulomb ocasionando a reação de fusão
10 keV
cerca de 100 milhões oC para Deutério/Trítio
(1eV = 11.600 oK)
Plasma
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Confinamento magnético
Plasma magnetizado
• Uma característica importante do plasma é que sendo composto por
partículas carregadas sofre o efeito de campos elétricos e magnéticos
Plasma não
magnetizado
Plasma
magnetizado
As partículas estão “confinadas”
As partículas estão “livres”
ωcj α ej (B / mj)
rLj α (vTj / ωcj)
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Esquemas
Confinamento magnético
- Tokamak
- “Theta pinch”
Linear:
- Stellarator
- “Z-Pich”
Toroidal:
- Espelho magnético
- “Reversed field pinch”
- Tokamak esférico
Espelho
-pinch
Z-pinch
Stellerator
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• Energia
• Energia nuclear
• Fusão nuclear
• Processos de obtenção
• Confinamento magnético
• Tokamak
• Reator de fusão
• ITER
• Fusão no Brasil
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Tokamak
Histórico
• Primeiros experimentos de fusão nuclear em máquinas de confinamento
magnético remontam ao final da década de 1940
• Após 1958 as pesquisas em confinamento magnético tornam-se públicas
• Em 1968, na Conferência de Novosibirsk, cientistas Russos do “Kurchatov
Institute” anunciam valores de temperatura da ~1keV no tokamak T-3
• Em 1969 estes resultados foram confirmados no tokamak T-3, por cientistas
de Culham/UK, utilizando a técnica de espalhamento Thomson
• Nos anos 1970 inicia-se a corrida nas pesquisas em fusão com o
aparecimento de diversas máquinas tipo tokamak na Europa, EUA e Japão
• Na década de 1980 são estabelecidas as grandes máquinas (JET, TFTR, JT60) com uma forte cooperação internacional
• Atualmente encontra-se em construção do ITER (primeiro protótipo de reator
a fusão)
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Tokamak
Princípio de funcionamento
• A palavra tokamak é um acrônimo das palavras em Russo: toroidalnaya
kamera magnitnaya katushka (câmara toroidal com bobina magnética)
- Campo Toroidal: produzido por bobinas poloidais ao redor da câmara de vácuo
- Campo Poloidal: produzido pela corrente de plasma (que também aquece o plasma)
- Campo de Equilíbrio: criado por bobinas na direção toroidal
- Corrente de Plasma: gerada pelo primário (solenóide) de um transformador
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Características
Tokamak
• Principal propriedade
superfícies magnéticas toroidais fechadas formadas
por linhas de campo magnético helicoidais com diferentes passos (magnetic
shear) formando uma “gaiola” que confina o plasma
• Parâmetros típicos
• Volume do plasma
1 – 100 m3
• Massa total do plasma
10-4 – 10-2 gr
• Densidade de íons
1019 – 1020 m-3
• Temperatura
1 – 40 keV
• Pressão (α N x T)
0,1 – 5 atm
• Velocidade térmica dos íons
100 – 1000 km/s
• Velocidade térmica dos elétrons
0,01c – 0,1c
• Campo magnético toroidal
1–7T
• Corrente de plasma total
0,1 – 7 MA
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JET
Tokamak
Joint European Torus
(maior tokamak em operação)
• 1971: Decisão para construção
• 1973: Início do projeto
• 1983: Primeiro plasma
Raio maior
2,96m
Raio menor
2,1x1,25m
Duração do pulso
20 – 60s
Campo toroidal
3,4 – 4 T
Corrente de plasma
2 – 7MA
Aquecimento auxiliar
25–36MW
Temperatura dos íons
40keV
Confinamento de energia ~ 2s
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Tokamak
Diagnósticos no JET
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Tokamak
Disparo típico
• Evolução temporal de alguns parâmetros do plasma num disparo típico do
tokamak MAST da Inglaterra
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Tokamak
Filme do plasma
• Emissão de luz do tokamak MAST obtida com câmera CCD rápida (300ms)
http://www.fusion.org.uk/
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• Energia
• Energia nuclear
• Fusão nuclear
• Processos de obtenção
• Confinamento magnético
• Tokamak
• Reator de fusão
• ITER
• Fusão no Brasil
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Parâmetro para fusão
Reator de fusão
• Parâmetro de fusão ou triplo produto é definido por: n Ti
E
n: densidade [m-3] → reação de fusão: α n2 (10-4 g/m3)
Ti: temperatura dos íons [keV] →“agitação” térmica necessária à fusão
E:
tempo de confinamento de energia (Wtérm / Pperdida.) [s] → isolação térmica
• Fator de ampliação: Q = Pfusão / P aquecimento
• Breakeven: a potência liberada pela fusão é igual a potência gasta para
gerar e manter o plasma (não há ganho: Q=1)
• Ignição: a potência necessária para manter o plasma é proveniente apenas
da potência gerada pelas partículas alfa (20%)
Paquecimento = 0 e Q = h
- n Ti
• Condição de ignição (50%D + 50%T):
E
> 6 x 1021 m-3 keV s
- 10 keV < Ti < 20 keV
Exemplo: n = 1020 m-3
E
= 2s
T = 10 keV
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Aquecimento auxiliar
Reator de fusão
• A resistividade elétrica do plasma varia com T-3/2 aquecimento por efeito
Joule (corrente de plasma) é limitado a poucos keV
• Para atingir temperaturas maiores necessária à fusão
• Compressão adiabática:
Métodos
BT ou
• Injeção de partículas neutras
• Ondas de RF ressonantes (MW)
• Partículas alfa (fusão)
aquecimento auxiliar
a
IC (ωci = eB/mi): 10-12 0 MHz
LH: 0,5-2,5GHz
EC (ωce= eB/me):15-300 GHz
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Evolução dos parâmetros
Reator de fusão
• Parâmetro de fusão n Ti
E
e temperatura dos íons
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Geração de energia
Reator de fusão
• Potência de fusão obtidas em tokamaks e a evolução ao longo dos anos
Q = 0,65
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Reator de fusão
Concepção de um reator
• Concepção artística de uma usina de eletricidade por fusão com um tokamak
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• Energia
• Energia nuclear
• Fusão nuclear
• Processos de obtenção
• Confinamento magnético
• Tokamak
• Reator de fusão
• ITER
• Fusão no Brasil
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Introdução
ITER
ITER: International Thermonuclear Experimental Reactor (em Latin
o caminho)
Objetivo
• Operar um experimento de “queima” de plasma para explorar a física,
demonstrar a viabilidade técnica e realizar testes finais das tecnologias
envolvidas como última etapa antes de uma usina nuclear baseada na fusão
Fatos
• Decisão de construção com forte apelo político (Reagan/Gorbachov): 1985
• Países participantes desde o início: Europa, Japão, Rússia e EUA*
• Coréia e China aderiram em 2003 e Índia em 2005.
• Divisão dos custos:
- 50% (País sede)
- 10% (Demais membros)
• Projeto de engenharia foi concluído em 1998: custo da máquina ~ 5 B Euros
• O projeto foi revisado e reduzido ITER-FEAT (Fusion Energy Advanced
Tokamak): custo estimado de construção (10 anos)
4,5 Bilhões de Euros
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Parâmetros
ITER
- Corrente de plasma: 15MA
- Raio maior : 6,2 m
Parâmetros da máquina:
- Raio menor: 2,0 m
- Campo magnético toroidal: 5,3 T
- Volume do plasma: 837 m3
- Potência de fusão total: 500MW
Parâmetros de fusão:
- Fator de amplificação: Q=Pfus/Pin=10 (pulso: 400s)
Q = 5 (estacionário – 3000s)
- Aquecimento auxiliar e geração de corrente: 73MW
- Potência média de nêutrons na parede: 0,57MW/m2
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Esquema
ITER
Concepção artística do ITER
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ITER
Testes de componentes
• Vários laboratórios e empresas confeccionaram e testaram várias partes
críticas da máquina (câmara de vácuo, bobinas)
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ITER
Status
• Final de 2005 a cidade de Cadarache na França foi escolhida como local para
construção do ITER
Europa arcar com 50% dos custos
• No final de 2006 foi criada a “ITER Organization” e a equipe de líderes do
projeto já foi definida
• Licença para a construção obtida no final de 2007
Local do
ITER
Tokamak
Tore Supra
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• Energia
• Energia nuclear
• Fusão nuclear
• Processos de obtenção
• Confinamento magnético
• Tokamak
• Reator de fusão
• ITER
• Fusão no Brasil
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Fusão no Brasil
Grupos
UNICAMP
• Início: 1974 (teoria) e em 1977 com experimentos lineares: z-pinch, θ-pinch
• Atualmente: Nova (pequeno tokamak trazido do Japão)
• Objetivos: desenvolvimento de diagnósticos e formação de alunos
• Equipe: 1 pesquisador + estudantes
USP
• Início: 1977 com a construção do TBR-1 (primeiro tokamak Brasileiro)
• Atualmente: TCABR (tokamak de porte médio trazido da Suíça)
• Objetivos: estudo de aquecimento do plasma por ondas de Alfvèn
• Equipe: ~10 pesquisadores + ~ 5 técnicos + estudantes
INPE
• Início: 1987 (atividades em fusão) e 1995 (início da construção do ETE)
• Atualmente: ETE (tokamak esférico totalmente projeto e construído no Brasil)
• Objetivos: estudo da física de plasma em tokamaks esféricos
• Equipe: 5 pesquisadores + 3 técnicos + estudantes
UFGRS, UFMTS, ITA, UnB, UNESP, UFP, outros
• Principalmente envolvidos em atividades teóricas
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Fusão no Brasil
Tokamaks TCABR e ETE
TCABR
ETE
• Tokamak convencional (A = 3,4)
• Tokamak Esférico ( A = 1,5)
• Ro = 0,6 m
• Ro = 0,3 m
• BT = 1,2 T
• BT = 0,4 T (0,6 T)
• IP = 120 kA
• IP = 220 kA (440 kA)
• Aquecimento por ondas de Alfvén
• Física de tokamaks esféricos
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Tokamak ETE
Fusão no Brasil
Razão de aspecto = R/a < 1,5
a
R
• Explorar a física dos plasmas de baixa razão de aspecto
• Desenvolver diagnósticos de plasmas quentes
Objetivos
• Investigar as condições da borda do plasma
• Estudar métodos de aquecimento do plasma por radiofreqüência
• Acompanhar os avanços internacionais na área
• Capacitar equipe multidisciplinar para a área de fusão
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Construção do ETE
Fusão no Brasil
• Projeto: 1990 – 1995
Etapas:
• Construção: 1996 – 2000
• Primeiro plasma: 2001
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Fusão no Brasil
Hall do ETE
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Fusão no Brasil
Plasma do ETE
Foto do plasma com câmera CCD
Evolução da corrente de plasma
Sinais típicos de um disparo do ETE
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Fusão no Brasil
Rede Nacional de Fusão
• Várias tentativas (desde 1897) de se criar um Programa Nacional de Fusão
• No final de 2005 uma comitiva de cientistas da Euratom visitou vários
laboratórios e indústrias no Brasil para avaliar a capacidade do Brasil em
participar do ITER
• Em 2005 o atual ministro da C&T visitou o laboratório de Culham/UK (JET)
• Em novembro de 2006 foi assinada uma portaria ministerial criando a Rede
Nacional de Fusão com aporte financeiro de 1MR$/ano
• Um Comitê Técnico Científico coordena as atividades de fusão e distribuição
dos recursos da rede (acaba de aprovar recursos para ~10 projetos)
• A comunidade ainda trabalha no sentido de se criar um Programa Nacional de
Fusão e um Laboratório Nacional de Fusão
• Inicialmente o LNF estaria ligado à CNEN e com sede em Cachoeira Paulista
• Participação (minoritária) do Brasil no ITER ou em outro experimento?
Edson Del Bosco LAP/INPE
Fusão no Brasil
Pós-graduação
• IFUSP: tokamak TCABR
• INPE/ITA: tokamak ETE
• UNICAMP: tokamak Nova
• UFRGS – UFP – UFMS – UFF – ITA: teoria
• Rede Nacional de Fusão: Bolsas PCI para doutores
• Bolsas em vários países: UK, Japão, etc.
• Programa Europeu “Erasmus Mundus”
Edson Del Bosco LAP/INPE