Reator de fusão
Reator de fusão , também chamado usina de fusão ou reator termonuclear , um dispositivo para produzir energia elétrica a partir da energia liberada em um fusão nuclear reação. O uso de reações de fusão nuclear para geração de eletricidade permanece teórico.
Desde a década de 1930, os cientistas sabem que o sol e outras estrelas geram sua energia por fusão nuclear. Eles perceberam que se a geração de energia de fusão pudesse ser replicada de maneira controlada na Terra, poderia muito bem fornecer uma fonte de energia segura, limpa e inesgotável. A década de 1950 viu o início de um esforço de pesquisa mundial para desenvolver um reator de fusão. As realizações e perspectivas substanciais desse esforço contínuo são descritas neste artigo.
Características gerais
O mecanismo de produção de energia em um reator de fusão é a união de dois núcleos atômicos leves. Quando dois núcleos se fundem, uma pequena quantidade de massa é convertido em uma grande quantidade de energia . Energia ( É ) e massa ( m ) estão relacionados por meio de Einstein Relação de, É = m c dois, pelo grande fator de conversão c dois, Onde c é o velocidade da luz (cerca de 3 × 108metros por segundo ou 186.000 milhas por segundo). A massa pode ser convertida em energia também por fissão nuclear, a divisão de um núcleo pesado. Este processo de divisão é utilizado em reatores nucleares .
As reações de fusão são inibido pela força repulsiva elétrica, chamada de força de Coulomb, que atua entre dois núcleos carregados positivamente. Para que a fusão ocorra, os dois núcleos devem se aproximar em alta velocidade para superar sua repulsão elétrica e atingir uma separação suficientemente pequena (menos de um trilionésimo de centímetro) para que a força forte de curto alcance domine. Para a produção de quantidades úteis de energia, um grande número de núcleos deve sofrer fusão; isto é, um gás de núcleos em fusão deve ser produzido. Em um gás a temperaturas extremamente altas, o núcleo médio contém suficiente energia cinética sofrer fusão. Tal meio pode ser produzido aquecendo um gás comum além da temperatura na qual elétrons são eliminados de seus átomos. O resultado é um gás ionizado que consiste em elétrons negativos livres e núcleos positivos. Este gás ionizado está em um plasma estado, o quarto estado da matéria. A maior parte da matéria do universo está no estado de plasma.
No centro dos reatores de fusão experimentais está um plasma de alta temperatura. A fusão ocorre entre os núcleos, com os elétrons presentes apenas para manter a neutralidade macroscópica da carga. A temperatura do plasma é de cerca de 100.000.000 kelvins (K; cerca de 100.000.000 ° C, ou 180.000.000 ° F), que é mais de seis vezes a temperatura no centro do sol. (Temperaturas mais altas são necessárias para as pressões e densidades mais baixas encontradas nos reatores de fusão.) Um plasma perde energia por meio de processos como a radiação, condução e convecção, portanto, manter um plasma quente requer que as reações de fusão adicionem energia suficiente para equilibrar as perdas de energia. Para atingir este equilíbrio, o produto da densidade do plasma e seu tempo de confinamento de energia (o tempo que leva para o plasma perder sua energia se não for substituído) deve exceder um valor crítico.
As estrelas, incluindo o Sol, consistem em plasmas que geram energia por reações de fusão. Nestes reatores de fusão natural, o plasma é confinado a altas pressões pelo imenso campo gravitacional. Não é possível montar na Terra um plasma suficientemente massivo para ser confinado gravitacionalmente. Para aplicações terrestres, existem duas abordagens principais para a fusão controlada - a saber, confinamento magnético e confinamento inercial.
No confinamento magnético, um plasma de baixa densidade é confinado por um longo período de tempo por um campo magnético. A densidade do plasma é de aproximadamente 10vinte e umpartículas por metro cúbico, que é muitos milhares de vezes menor que a densidade do ar à temperatura ambiente. O tempo de confinamento de energia deve ser de pelo menos um segundo - ou seja, a energia no plasma deve ser substituída a cada segundo.
No confinamento inercial, nenhuma tentativa é feita para confinar o plasma além do tempo que leva para se desmontar. O tempo de confinamento de energia é simplesmente o tempo que leva para o plasma em fusão se expandir. Confinado apenas por sua própria inércia, o plasma sobrevive por apenas cerca de um bilionésimo de segundo (um nanossegundo). Portanto, o ponto de equilíbrio neste esquema requer uma densidade de partícula muito grande, normalmente cerca de 1030partículas por metro cúbico, que é cerca de 100 vezes a densidade de um líquido. Uma bomba termonuclear é um exemplo de plasma confinado inercialmente. Em uma usina de confinamento inercial, a densidade extrema é alcançada comprimindo uma pelota sólida de combustível em escala milimétrica com lasers ou feixes de partículas. Essas abordagens às vezes são chamadas de laser fusão ou fusão de feixe de partículas.
A reação de fusão menos difícil de alcançar combina um deutério (o núcleo de um átomo de deutério) com um tritão (o núcleo de um átomo de trítio). Ambos os núcleos são isótopos do hidrogênio núcleo e contêm uma única unidade de carga elétrica positiva. A fusão de deutério-trítio (D-T), portanto, requer que os núcleos tenham energia cinética mais baixa do que a necessária para a fusão de núcleos mais carregados e pesados. Os dois produtos da reação são uma partícula alfa (o núcleo de um hélio átomo) a uma energia de 3,5 milhões elétron volts (MeV) e um nêutron a uma energia de 14,1 MeV (1 MeV é a energia equivalente a uma temperatura de cerca de 10.000.000.000 K). O nêutron, sem carga elétrica, não é afetado por campos elétricos ou magnéticos e pode escapar do plasma para depositar sua energia em um material circundante, como lítio . O calor gerado na manta de lítio pode então ser convertido em energia elétrica por meios convencionais, como turbinas a vapor. As partículas alfa eletricamente carregadas, por sua vez, colidem com os deuterons e tritons (por sua interação elétrica) e podem ser magneticamente confinadas no plasma, transferindo assim sua energia para os núcleos reagentes. Quando essa redeposição da energia de fusão no plasma excede a potência perdida do plasma, o plasma será autossustentável ou inflamado.
Embora o trítio não ocorra naturalmente, os tritões e as partículas alfa são produzidos quando os nêutrons das reações de fusão D-T são capturados na manta de lítio circundante. Os tritões são então realimentados para o plasma. Nesse aspecto, os reatores de fusão D-T são únicos, pois usam seus resíduos (nêutrons) para gerar mais combustível. No geral, um reator de fusão D-T usa deutério e lítio como combustível e gera hélio como subproduto da reação. O deutério pode ser facilmente obtido da água do mar - cerca de uma em cada 3.000 moléculas de água contém um deutério átomo . O lítio também é abundante e barato. Na verdade, há deutério e lítio suficientes nos oceanos para suprir as necessidades mundiais de energia por bilhões de anos. Com deutério e lítio como combustível, um reator de fusão D-T seria uma fonte de energia efetivamente inesgotável.
Um reator de fusão prático também teria vários recursos atraentes de segurança e ambientais. Primeiro, um reator de fusão não liberaria os poluentes que acompanham a combustão de combustíveis fósseis —Em particular, os gases que contribuem para o aquecimento global. Em segundo lugar, porque a reação de fusão não é um reação em cadeia , um reator de fusão não pode sofrer uma reação em cadeia descontrolada, ou fusão, como pode acontecer em um reator de fissão. A reação de fusão requer um plasma quente confinado e qualquer interrupção de um sistema de controle de plasma extinguiria o plasma e encerraria a fusão. Terceiro, os principais produtos de uma reação de fusão (átomos de hélio) não são radioativos. Embora alguns subprodutos radioativos sejam produzidos pela absorção de nêutrons no material circundante, existem materiais de baixa ativação, de modo que esses subprodutos têm meia-vida muito mais curta e são menos tóxicos do que os produtos residuais de um Reator nuclear . Exemplos de tais materiais de baixa ativação incluem aços especiais ou compostos de cerâmica (por exemplo, carboneto de silício).
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