Fusão nuclear
controlada: uma fonte da
energia para o futuro
Prof. Dr Milan Lalic
Departamento de Física - UFS
Disponibilidade de energia: um requisito essencial para o
crescimento econômico e a melhora da qualidade de vida.
Fontes atuais da energia:

Combustíveis fósseis
(carvão, petróleo, gás natural)

Hidroeletricidade

Energia nuclear
(fissão)

85,5%
6,6%
6,5%
Outras fontes
(geotérmica, solar, eólica, madeira... )
1,4%
Demanda vs Disponibilidade de energia
Opções de energia a longo prazo



Energia Solar: irregular e distribuída de
forma
não
uniforme.
Estimativas
otimistas
1/3 das necessidades
futuras de energia.
Fissão
Nuclear:
problemas
de
armazenamento adequado do lixo nuclear.
Fusão Nuclear: boa solução, mas ainda
não viável.
Estrutura do átomo
De onde vem a energia nuclear?
Do núcleo!
nêutron
próton
Interação entre nucleons
-- eletromagnética
-- forte
Por que os nucleons (prótons, nêutrons) se unem em um núcleo?
Porque nesse estado eles têm menor energia!
+
Einstein:
energia de
ligação
E=mc2 --> a massa e a energia são duas formas
da mesma entidade
Diferença de massas:
Δm=0,0304 u
Energia de ligação:
E=Δmc2 = 28,3 MeV
(energia de ligação total)
Energia de ligação per nucleon
=
(número de nucleons)
Conclusão: fissão e fusão nuclear em princípio
podem render a energia!
Fissão nuclear: o núcleo de um elemento pesado é dividido
produzindo dois núcleos mais leves.
Um dos principais átomos usados para fissão: isótopo 235U
1 nêutron 
235U + 1 nêutron 
...
235U +
 2 nêutrons + 92Kr + 142Ba + ENERGIA
236U  2 nêutrons + 94Sr + 140Xe + ENERGIA
236U
Fissão nuclear: reação em cadeia
Reação: - controlada (usinas nucleares)
- descontrolada (bomba atômica)
Fissão nuclear: reação controlada
Número médio de nêutrons
por fissão:
<1: reação não ocorre
>1: reação não é controlada
Usinas nucleares: excesso de nêutrons é absorvido pelas
varetas de Cd ou B.
Realização concreta:
-- energia aplicada  fissão nuclear  energia obtida
-- energia obtida > energia aplicada  rendimento da energia
-- O processo é praticamente viável (usinas nucleares)
Fissão nuclear: problemas


Combustível (U) é raro e caro.
Produtos de fissão são radioativos por séculos
(problemas com armazenamento de combustível
desgastado)

Há risco de acidentes (Chernobyl, Three Miles Island )

Poluição do meio ambiente
Fusão nuclear: dois ou mais núcleos atômicos se juntam e formam um outro
núcleo de maior número atômico.
A fusão nuclear é o processo
que gera a energia das estrelas.
Caroço das estrelas:
condições tão severas (temperatura, pressão,
densidade) que permitem fusão dos elementos
leves e produção dos elementos pesados.
Fusão nuclear: possibilidades para execução na Terra
D2 + T3 -> (He4 + 3,52 MeV) + (n + 14,06 MeV)
Isótopos de Hidrogênio:
Energia liberada por uma fusão: 17,58 MeV
Realização concreta:
-- energia aplicada  fusão nuclear  energia obtida
-- energia obtida < energia aplicada
-- O processo ainda não é praticamente viável.
Vale a pena investir em reatores de fusão?
1. Rendimento da energia é maior do que no caso da fissão.
1kg de combustível: energia suficiente para satisfazer as necessidades
anuais de 676 pessoas nos USA.
2. Abundância de combustível
-- Deutério pode ser extraído de todas as formas de água (10g de 500 litros).
Reservas para milhões de anos.
-- Trício não existe em natureza. Tem que ser extraído do Lítio (15g de trício
vem de 30g de lítio).
-- Lítio: bastante presente na crosta terrestre. Reservas para milhares de anos.
500 litros de água + 30g de lítio: produz energia para uma pessoa suficiente
para vida inteira!
3. Segurança
Condições de realizar a fusão são difíceis de atingir. Qualquer desvio resultará
no término rápido do processo.
 Riscos de acidentes são mínimos.
4. Preservação do meio ambiente
-- Não haverá emissão dos gases que provocam o efeito da estufa
-- Não haverá problemas de radioatividade (produtos da fusão não
são radioativos).
Com aprendizagem de controlar fusão, os ganhos são enormes.
Certamente vale a pena investir em fusão!!!
Fusão nuclear controlada: realização concreta
Tarefa básica: aproximar uma grande quantidade de núcleos de deutério e trício
e guardá-los juntos por tempo suficiente para que a fusão renda a energia!
Problema principal: superar a repulsão entre as partículas com a mesma carga
Passo 1: tirar os elétrons, aumentando a temperatura do gás de átomos
Passo 2: aproximar os núcleos aumentando suas energias cinéticas; isso leva
a um novo aumento da temperatura!
Os cálculos mostram: fusão ocorre em taxa suficiente para temperaturas
≥ 100 milhões de Kelvin
Nessa condições teremos um gás quente
de partículas carregadas:
plasma!
Condições para que a fusão economicamente lucrativa ocorra:
3 parâmetros:
-- temperatura do plasma
-- densidade do plasma
-- tempo de confinamento do plasma
têm que ser simultaneamente atingidos.
Produto desses 3 parâmetros tem que exceder um certo valor
para que a fusão pode render a energia (critério de Lawson)
Temperatura
~ 100-200 milhões de K
Densidade
~ 2-3 x 1020 partículas per m3
Tempo de conf. ~ 1-2 segundos
Como aquecer o plasma para temperaturas 100-200 milhões de K?
Essa tarefa pode ser executada com sucesso!
Como confinar o plasma por tempo de 1-2 s?
Nenhum material pode resistir a temperatura do plasma !
Um campo magnético pode ajudar !
O campo magnético pode guardar o
plasma longe das paredes.
Configuração mais promissora:
configuração toroidal dos campos
magnéticos.
A tarefa ainda não é executada da maneira satisfatória!
TOKAMAK (TOроидальная KAмера в MAгнитных Kатушкаx)
(toroidal chamber in magnetic coils)
Campo toroidal: produz o campo ao redor de toroide; mecanismo primário
de confinamento.
Campo poloidal: ajuda o plasma manter a forma e a estabilidade.
TFTR: Tokamak Fusion Test Reactor, Princeton, USA
JET: Joint European Torus, Culham, UK: maior TOKAMAK para a pesquisa
Até agora produzem só 70%
da energia necessária para
aquecer o plasma.
- Temperatura é atingida
- Densidade é adequada
- Tempo de confinamento
não é suficiente!
Ainda não há rendimento
de energia!
JET por dentro
Filminho
Perspectivas Futuras
ITER: International Thermonuclear Experimental Reactor
Projeto internacional com objetivo de demonstrar a viabilidade
científica e econômica de fusão nuclear
Construção de um TOKAMAK no sul da França, em Cadarache.
Participantes: União Européia, Rússia, Estados Unidos, Japão,
China, Índia e Coréia do Sul.
Investimento inicial: 10 bilhões de euros
Objetivo: produzir entre dez a cinco vezes mais energia que o
necessário para manter o plasma a temperaturas de fusão,
demonstrando assim a viabilidade da energia de fusão
Previsão: produção comercial da energia nuclear dentro de 50 anos
A visão noturna da Terra
Reações que liberam energia
Química
Fissão
Fusão
C+O2>CO2
n+U235>Ba143+Kr91+2 n
H2+H3>He4+ n
Combustível Típico
Carvão
UO2 (3% U235 + 97% Deutério &
U238)
Lítio
Temperatura para
reação (C)
873
1273
108
Energia liberada por kg
de Combustível (J/kg)
3,3 × 107
2,1 × 1012
3,4 × 1014
Exemplos de reação