Projecto ITER,  France
Fusão nuclear

Fusão nuclear

Fusão nuclear

A fusão nuclear é uma reação nuclear através da qual dois núcleos leves de átomos, geralmente hidrogênio e seus isótopos (deutério e trítio), são combinados formando um núcleo mais pesado. Esta ligação é geralmente acompanhada pela emissão de partículas (no caso de núcleos de deutério um nêutron é emitido). Esta reação de fusão nuclear libera ou absorve muita energia sob a forma de raios gama e energia cinética das partículas emitidas. Esta grande quantidade de energia transforma a matéria num estado de plasma.

As reações de fusão nuclear podem emitir ou absorver energia. Se os núcleos de fusão têm uma massa menor do que o ferro, a energia é liberada. Inversamente, se os núcleos atômicos que fundem são mais pesados do que o ferro, a reação nuclear absorve a energia.

A fusão nuclear e a fusão do núcleo do reator são diferentes, o que se refere à fusão do núcleo do reator de uma usina nuclear devido ao superaquecimento causado por fraco resfriamento. Durante o acidente nuclear de Fukushima, esse termo foi usado com freqüência.

Fusão nuclear na natureza

El Sol é um exemplo de energia nuclear de fusão nucleares que ensina acima de um Terra em forma de radiação electromagnética Além do Sol, as estrelas estão constantemente experimentando reações de fusão nuclear. A luz eo calor que estamos sentindo do Sol é o resultado dessas reações de fusão nuclear: os núcleos de hidrogênio colidem e se fundem, resultando em um núcleo de hélio mais pesado liberando uma tremenda quantidade de energia. A energia liberada chega à Terra sob a forma de radiação eletromagnética.

As forças da gravidade no universo geram condições perfeitas para a fusão nuclear.

As reações de fusão nuclear também são chamadas reações termonucleares devido às altas temperaturas que experimentam. A temperatura os o sol está perto de 15 milhões de graus Celsius.

Requisitos técnicos para a fusão nuclear

Para realizar reações de fusão nuclear, devem estar presentes os seguintes requisitos:

  • Obter uma temperatura muito alta para separar o elétron do núcleo, aproximando-se este outro bater forças de repulsão eletrostática. A massa gasosa consistindo em elétrons e átomos livres é chamada de plasma altamente ionizado.
  • Confinamento para manter o plasma a temperatura elevada pelo tempo mínimo necessário. Densidade plasmática suficiente para a qual os núcleos estão próximos uns dos outros e pode gerar as reações de fusão nuclear.

Fusão nuclear de confinamento

Os aterros convencionais são usados em reactores de fissão nuclear não são possíveis devido às altas temperaturas do plasma deve durar. Por esta razão, desenvolvemos dois importantes métodos de confinamento:

    Fusão de confinamento inercial nuclear (ICF): consiste em criar partículas de um meio tão denso que não têm chance de escapar sem bater um no outro. Uma pequena esfera composta de deutério e trítio é atingida por um feixe de laser, causando assim sua implosão. Então, torna-se mais denso e explode sob o efeito da reação de fusão nuclear. Fusão de confinamento magnético nuclear (MCF): as partículas de plasma carregadas eletricamente são aprisionadas e confinadas através da ação de um espaço de campo magnético. O dispositivo mais desenvolvido tem uma forma toroidal e é chamado de Tokamak.

Reacções de fusão nuclear

A fusão de dois núcleos de hidrogênio para obter hélio e energia

Os elementos atômicos normalmente utilizados nas reações de fusão nuclear são o hidrogênio e seus isótopos: o deutério (D) eo trítio (T). As principais reacções de fusão incluem:

D + T -> 4He + n + 17,6 MeV
Fusão de um núcleo de deutério com núcleo de trítio de um núcleo de hélio constituído por dois nêutrons e dois prótons, libertando um 1 nêutron e 17,6 MeV de energia.

 

D + D -> 3He + n + 3,2 MeV
Núcleo de hélio constituído por dois prótons e um nêutron, liberando um nêutron de 3,2 MeV e obtendo energia.

D + D --> T + p + 4,03 MeV
Mergendo dois núcleos de deuterio, um núcleo de trítio, obtemos um protão e 4,03 MeV.

Essas reações requerem energia cinética dos núcleos necessários para que os reagentes se aproximem dos núcleos, superando então as forças de repulsão eletrostática. É necessário aquecer o gás a temperaturas muito altas, como se supõe que isso ocorra no centro das estrelas.

O pré-requisito de um reator de fusão nuclear é confinar esse plasma à temperatura, alta densidade e no momento certo, a fim de permitir a ocorrência de reações de fusão nuclear suficientes, impedindo que as partículas escapem para uma energia líquida de ganho. Este ganho de energia depende da energia necessária para aquecer e confinar o plasma, e é menor do que a energia liberada pelas reações de fusão nuclear. Geralmente, para cada miligrama de deutério-trítio podemos obter 335 MJ.

Combustível utilizado para reacções de fusão nuclear

Para as reações de fusão nuclear precisamos de núcleos leves. Basicamente deutério e trítio, que são dois isótopos de hidrogênio.

O deutério é um isótopo de hidrogénio estável constituído por um protão e um neutrão. Eles subsistem na água, um átomo por 6500 átomos de hidrogênio. Significa que na água do mar há uma concentração de 34 gramas por cada metro cúbico de água. O teor de energia do deutério é tão alto que a energia do deutério pode obter um litro de água do mar e é equivalente à energia que você pode obter 250 litros de óleo.

Portanto, considerando que três quartos do planeta são cobertos pela água, a fusão nuclear é considerada como fonte inesgotável de energia.

O outro elemento usado na fusão nuclear é o trítio, o isótopo do átomo estável ou radioativo do hidrogênio. É composto de um protão e dois nêutrons pela emissão beta decai relativamente rapidamente. Enquanto o trítio é escasso na natureza, ele pode ser gerado por reações de captura de nêutrons com os isótopos de lítio. O lítio é um material abundante na crosta terrestre e na água do mar.

Evolução histórica e futuros projectos de fusão nuclear

As origens da fusão nuclear estão localizadas por volta de 1929, quando Houtemans Atkinson mostrou a possibilidade de obter energia a partir de reações de fusão. No entanto, os conceitos mais importantes de fusão nuclear e sua aplicação real foram desenvolvidos desde 1942 com o trabalho de H. Bethe, E. Fermi, E. R. Oppenheimer e Teller, entre outros. O projeto Sherwood mostrou os primeiros avanços tecnológicos que ajudaram a desenvolver o conceito de confinamento magnético, produzindo os primeiros desenhos: z-pinch e espelhos magnéticos stellarator.

Em 1961, J. Nuckolls (EUA) e N. Basov (URSS) desenvolveram uma técnica que poderia ser obtida por compressão hugh em reações de fusão nuclear causadas pela transferência de energia. Os programas secretos estão bem desenvolvidos nos EUA e na Rússia. Mais tarde, a França seguiu esse desenvolvimento secreto. Outros países como Alemanha, Japão, Itália e os EUA (Rochester) desenvolveram programas abertos.

 

Em 1965, Artsimovich apresentou os resultados de suas pesquisas durante a "2ª Conferência sobre Fusão Controlada e Plasma" sobre o conceito TOKAMAK (Toroidal Kamera magnetik).

No conceito de Tokamak, a necessidade de confinar o campo magnético de plasma é o resultado da combinação de um campo toroidal, um campo poloidal criado por duas bobinas toroidais e um campo vertical (criado por um transformador). O plasma atua como a parte secundária de um transformador através do qual a corrente é induzida a aquecê-lo. Através do transformador primário circula uma intensidade de corrente variável.

Em 1968, o Nobel N. Basov, Award informou a obtenção de temperaturas de ignição ea produção de nêutrons em reações de fusão nuclear usando lasers. Em seguida, poderia ter muito equipamento na construção e na operação sob o conceito do tokamak como: TFR (France), T-4 e T-11 (URSS), e Alcator Ormak (EUA). Algo semelhante ao T-10 (URSS), PLT (EUA), ETA (GB), ASEDX (RFA) e Frascati (EURATOM-Itália) começou a ser construído.

Nos anos 70, ele começou a primeira série de publicações sobre FCI (Nuclear Fusion by Inertial Confinement). Nos E.U.A., os investigadores principais eram Brueckner, Nuckolls, e Clark Kidder. Na Rússia, Basov e sua equipe mostraram a experiência mais avançada, alcançando quase 3 milhões de áreas de implosão de nêutrons de CD2.

Com base neste conceito, tem havido um monte de instalações que permitiram a pesquisa de borda laser sobre a fusão nuclear. Podemos destacar: NOVA (40 kJ, EUUU), OMEGA (30 kJ), GEKKO-XII (10 kJ, Japão), Phebus (3 kJ, França), VOLCANO (RU), ISKRA-5 (Rússia).

Depois que essas instalações de laser foram desenvolvidas, dois grandes projetos mostraram altos lucros: National Ignition Facility (NIF) nos Estados Unidos e laser megajoule (LMJ) em França.

Mas o laser não é o único dispositivo capaz de produzir implosões. Os elétrons e feixes de íons leves e pesados são candidatos importantes para a fusão nuclear por confinamento inercial. Os seguintes projetos nascem com íons leves: ANGARA e PROTO (Rússia), PBFA PBFA-I e II (EUA).

Os íons pesados na ausência de experimentos têm sido incapazes de obter resultados precisos, embora tenham feito certas previsões por meio de simulações teóricas como as do Projeto HIDIF (Projeto de Ion Pesado de Ignição) patrocinado por vários laboratórios e institutos europeus eo Lawrence Laboratório de Berkeley Americano.

Nos anos 90, as instalações da TOKAMAK como JET (EURATOM), TFTR (EUA) e JT-60 (Japão) renderam algum poder. O primeiro foi o JET, com uma mistura de D (90%) e T (10%) alcançada em 1991, uma potência de 1,7 MW. Posteriormente, em 1993, com uma mistura de TFTR DT 50% chegou a 6 MW, atingindo temperaturas de 30 keV. O aquecimento de 29 MW foi gasto. Hoje em dia, o TFTR é fechado. Desde então, eles vêm produzindo até 12 MW em reações de fusão nuclear controladas por mais de um segundo (JET, 1997) e certamente os avanços tecnológicos atuais alcançarão a faixa comercial de centenas de MW.

A pesquisa experimental em FCM (Concentração de Confinamento Magnético Nuclear) em Espanha está concentrada no CIEMAT (Centro de Energia, Meio Ambiente e Tecnologia), a partir de 1983, operando a primeira máquina de fusão nuclear, o Tokamak TJ-I.

A partir deste momento, a pesquisa progrediu constantemente. Em 1994 foi apresentado o primeiro dispositivo de fusão nuclear construído inteiramente em Espanha: o upgrade Stellerator TJ-I, que foi cedido em 1999 à Universidade de Kiel para entrar na operação TJ-II.

O TJ-II foi um grande salto científico de experimentos anteriores, considerado um dos três stellerators mais avançados do mundo com o alemão Wendelstein 7-AS Max Planck Institute em Munique e o japonês LHD Nagoya University.

O projecto de fusão de confinamento magnético nuclear: o ITER

O projeto nuclear mais avançado de confinamento magnético do ITER é o protótipo internacional do reactor termonuclear experimental baseado no conceito de Tokamak, e espera-se alcançar a ignição. Após os bons resultados obtidos no JET, em 1990 continuaram o programa com maior facilidade de fusão com o reator, e provaram suas instalações auxiliares sem geração de eletricidade. Neste projecto, a União Europeia, o Canadá, os EUA, o Japão ea Rússia participaram activamente.

Imagem futurista do projeto de pesquisa da fusão nuclear ITER Imagem futurista do projecto de investigação ITER fusão nuclear

O objetivo é determinar a viabilidade técnica e econômica da fusão nuclear magnética para gerar eletricidade, bem como encontrar a pré-condição para a construção de uma fase de planta de demonstração comercial.

O ITER é um projecto tecnológico com uma construção estimada em 10 anos e pelo menos 20 IP. Entre as tecnologias utilizadas para sua construção e posterior operação e manutenção, inclui robótica, supercondutividade, microondas, aceleradores e sistemas de controle.

A máquina ITER não produzirá eletricidade, e algumas soluções para os problemas precisam ser resolvidas para viabilizar futuros reatores de fusão. Este ambicioso projeto de pesquisa será concluído em 2050.

Os investimentos para construção estão estimados em aproximadamente 5.000 milhões de euros. Os custos correntes chegarão a 5.300 milhões de euros eo desmantelamento chegará a 430 milhões de euros. O país de localização (França) deve suportar os custos de preparação do local e construção do edifício.

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Referências

Última revisão: 7 de maio de 2014