Diego Mendes Guarezimi A630AA-8
Leandro Martins Pavanin A64954-9
José Rodolfo Boraschi A5689G-1
Jose Roberto Amorim A59559-7
APS:
Fusão Nuclear e Reatores
São José do Rio Preto
2010
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fusao nuclear aps, Notas de estudo de Engenharia Mecânica
Relatorio bem suscinto sobre os passos fundamentais da Fusão Nuclear e Reatores.
Tipologia: Notas de estudo
Antes de 2010
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Diego Mendes Guarezimi A630AA-
Leandro Martins Pavanin A64954- José Rodolfo Boraschi A5689G- Jose Roberto Amorim A59559-
APS:
Fusão Nuclear e Reatores
São José do Rio Preto
Sumário
- 1-Resumo Pag.
- 2-Introdução
- 3-Revisão Bibliográfica
- 4-Aplicação na ciência: Projeto ITER
- 5-Efeitos do trabalho na formação do aluno
- 6-Conclusão
- 7-Bibliografia
*Fusão Nuclear e Reatores
No sol, onde a fusão nuclear ocorre naturalmente, os núcleos de tipos de gás hidrogênio se fundem formando o gás hélio e mais uma partícula atômica chamada nêutron. Nesse processo se perde uma pequena quantidade de massa que se converte em enorme quantidade de energia. As temperaturas extremamente altas que existem no Sol, fazem com que este processo se repita continuamente.
2-Introdução
Muitas pessoas dizem que o Sol é uma bola de fogo. O que estará queimando lá, então? Na verdade nada está queimando. No Sol, bem como em outras estrelas, está ocorrendo um
Fusão nuclear é a junção de núcleos pequenos formando núcleos maiores e liberando uma quantidade muito grande de energia.
ar e Reatores
No sol, onde a fusão nuclear ocorre naturalmente, os núcleos de tipos de gás hidrogênio se fundem formando o gás hélio e mais uma partícula atômica nêutron. Nesse processo se perde uma pequena quantidade de massa que se converte em enorme quantidade de energia. As temperaturas extremamente altas que existem no Sol, fazem com que este processo se
Muitas pessoas dizem que o Sol é uma bola de fogo. O que estará queimando lá, então? Na verdade nada está queimando. No Sol, bem como em outras estrelas, está ocorrendo um processo denominado “fusão nuclear”.
Fusão nuclear é a junção de núcleos pequenos formando núcleos maiores e liberando uma quantidade muito grande de energia.
Para ocorrer fusão nuclear é uma temperatura muito elevada, pelo menos da ordem de 10 milhões de graus Celsius. O Sol é uma imensa bola de hidrogênio onde a temperatura é suficiente para que ocorra a fusão dos átomos de hidrogênio, formando átomos mais pesados e liberando a energia que chega até nós na forma de luz e calor.
Três fases da reação de fusão nuclear: 1 - o deutério e o acelerados até uma velocidade que permita o início da reação. 2 - é criado um núcleo instável de He-5. 3 - a ejeção de um expulsão de um núcleo de He
No sol, onde a fusão nuclear ocorre naturalmente, os núcleos de tipos de gás hidrogênio se fundem formando o gás hélio e mais uma partícula atômica nêutron. Nesse processo se perde uma pequena quantidade de massa que se converte em enorme quantidade de energia. As temperaturas extremamente altas que existem no Sol, fazem com que este processo se
Muitas pessoas dizem que o Sol é uma bola de fogo. O que estará queimando lá, então? Na verdade nada está queimando. No Sol, bem como em outras denominado “fusão nuclear”.
Fusão nuclear é a junção de núcleos pequenos formando núcleos maiores e liberando uma quantidade muito grande de energia.
nuclear é necessária temperatura muito elevada, pelo menos da ordem de 10 milhões de graus Celsius. O Sol é uma imensa bola de hidrogênio onde a temperatura é suficiente para que ocorra a fusão dos átomos de hidrogênio, formando átomos mais pesados e liberando a energia que hega até nós na forma de luz e calor.
Três fases da reação de fusão
e o trítio são até uma velocidade que permita o início da reação. é criado um núcleo instável de
a ejeção de um nêutron e a expulsão de um núcleo de He-4.
Há vários tipos de reações de fusão. A maioria envolve os isótopos de hidrogênio denominados deutério e trítio:
- Cadeia próton-próton: esta seqüência é o esquema de reação de fusão predominante utilizado pelas estrelas como o sol. 1. dois pares de prótons transformam-se em dois átomos de deutério; 2. cada átomo de *deutério é combinado com um próton para formar um átomo de hélio 3; 3. dois átomos de hélio 3 são combinados para formar o berílio 6, que é instável; 4. o berílio 6 decai em dois átomos de hélio 4.
Essas reações produzem partículas de alta energia (prótons, elétrons, neutrinos, pósitrons) e radiação (luz, raios gama).
- Reações deutério-deutério: dois átomos de deutério são combinados para formar um átomo de hélio 3 e um nêutron.
- Reações deutério-trítio: um átomo de deutério e um átomo de trício são combinados para formar um átomo de hélio 4 e um nêutron. A maior parte da energia liberada está na forma de nêutron de alta energia.
Até hoje início do século XXI, o ser humano ainda não conseguiu encontrar uma forma de controlar a fusão nuclear como acontece com a fissão.
Qual a diferença entre Fissão Nuclear e Fusão Nuclear? Vejamos primeiro o que seria uma Fissão Nuclear: reação que se inicia com o choque de um nêutron com um núcleo instável que proporciona a quebra deste último e, por este motivo, é chamado de fissão nuclear (divisão do núcleo). Exemplo de fissão nuclear: o núcleo do elemento Urânio pode sofrer uma fissão e gerar grande quantidade de energia, por isso o Urânio é considerado radioativo.
O bombardeamento de partículas que leva a ruptura do núcleo é um processo em cadeia, ou seja, quando a fissão se inicia produz novos nêutrons que irão
Vale ressaltar que há conservação da energia, e, portanto, pode-se calcular a massa dos quatro prótons e o núcleo de hélio, e subtrair a soma das massas das partículas iniciais daquela do produto desta reação nuclear para calcular a massa/energia emitida.
Utilizando a equação E=mc², pode-se calcular a energia liberada, oriunda da diferença de massa. Uma vez que o valor de c é muito grande (aprox. 3×10^8 m/s), mesmo uma massa muito pequena corresponde a uma enorme quantidade de energia. É este fato que levou muitos engenheiros e cientistas a iniciar projetos para o desenvolvimento de reatores de fusão (Tokamaks) para gerar eletricidade (por exemplo, a fusão de poucos cm^3 de deutério, um isótopo de hidrogênio, produziria uma energia equivalente àquela produzida pela queima de 20 toneladas de carvão).
2.1-Requisitos para a fusão
Uma substancial barreira de energia deve ser vencida antes que a fusão possa ocorrer. A grandes distâncias, dois núcleos expostos se repelem mutuamente devido à força eletrostática que atua entre seus protões positivamente carregados. Se os núcleos puderem ser aproximados suficientemente, porém, a barreira eletrostática pode ser sobrepujada pela força nuclear forte a qual é mais poderosa a curta distância do que a repulsão eletromagnética.
Quando um núcleo tal como o próton ou nêutron é adicionado a um núcleo, ele é atraído pelos outros núcleons, mas principalmente por seus vizinhos imediatos devido à força de curto alcance. Os núcleons no interior do núcleo têm mais vizinhos do que aqueles na sua superfície. Desde que núcleos menores têm uma grande razão de superfície para volume, a energia de ligação por núcleon devido à força nuclear forte geralmente aumenta como o aumento do tamanho do núcleo, mas atinge um valor limite que corresponde à vizinhança do núcleon totalmente preenchida.
A força eletrostática, por outro lado, é uma força proporcional ao inverso do quadrado da distância; então, um próton adicionado ao núcleo ira sentir uma repulsão eletrostática de todos os prótons no núcleo. A energia eletrostática por
núcleon devido à força eletrostática irá portanto aumentar independentemente do tamanho do núcleo.
O resultado combinado destas duas forças opostas é que a energia de ligação por núcleon geralmente aumenta com o aumento de tamanho do átomo, para elementos até com núcleo do tamanho de ferro e níquel, e diminui para núcleos mais pesados. Eventualmente, a energia de ligação se torna negativa e núcleos muitos pesados não são estáveis. Os quatro núcleos blindados mais compactos, em ordem decrescente de energia de ligação, são 62 Ni, 58 Fe, 56 Fe, and 60 Ni [1]. Embora o isótopo do Níquel 62 Ni seja o mais estável, o isótopo do Ferro 56 Fe é uma ordem de magnitude mais comum. Isto é devido em grande parte à grande razão de desintegração do 62 Ni no interior de estrelas conduzida pela absorção de fótons.
Uma notável exceção a esta regra geral é o núcleo do hélio-4, cuja energia de ligação é maior que a do lítio, o próximo elemento mais pesado. O princípio de exclusão de Pauli provê um explicação para este comportamento excepcional – isto se dá porque os prótons e nêutrons são férmions, eles não podem coexistir exatamente no mesmo estado. Cada estado energético de um próton ou nêutron em um núcleo pode acomodar uma partícula de spin para abaixo e outra de spin para acima. O Hélio-4 tem uma banda de energia de ligação anormalmente grande porque seu núcleo consiste de dois prótons e dois nêutrons; então todos os núcleons dele podem estar em um estado fundamental. Qualquer núcleon adicional deverá ir para um estado energético alto.
A situação é similar se dois núcleos são colocados juntos. Ao se aproximarem, todos os prótons em um núcleo repelem todos os prótons do outro, até o ponto em que os dois núcleos entrem em contato para que a força nuclear forte domine. Consequentemente, mesmo quando o estado de energia final é mais baixo, há uma grande barreira energética que deve ser ultrapassada primeiro. Na química, este fato é conhecido como energia de ativação. Em física nuclear ele é chamado de barreira de Coulomb.
*Fusão Nuclear e Reatores
com a fusão termonuclear, então eles são úteis para obter uma média sobre a distribuição dos produtos da seção transversal e da velocidade. A taxa de reação (fusão por volume por tempo) é < participantes:
Se um tipo de núcleo está reagindo com si próprio, tal como a reação PP, então o produto n 1 n 2 pode ser substituído por (1 / 2)
aumenta de praticamente zero a temperatura ambiente para um significativo valor a temperatura de abaixo da energia de ionização reativos da fusão existem um estado de
O significado de <σv> como uma função da temperatura em um experimento com uma energia de tempo confinamento critério de Lawson. Que que defina as circunstância ignição , isto é, que o heating do plasma pelos produtos das reações da fusão é suficiente manter a temperatura do plasma de encontro a todas as perdas sem entrada de poder externo.
3-Revisão bibliográfica
de energia elétrica, que alcançou uma potência
ar e Reatores
com a fusão termonuclear, então eles são úteis para obter uma média sobre a stribuição dos produtos da seção transversal e da velocidade. A taxa de reação (fusão por volume por tempo) é <σv> vezes o produto da densidade dos
Se um tipo de núcleo está reagindo com si próprio, tal como a reação PP, pode ser substituído por (1 / 2) n^2.
aumenta de praticamente zero a temperatura ambiente para um significativo valor a temperatura de 10 - 100 keV. A estas temperaturas, bem ionização típica (13,6 eV no caso do hidrogênio), os reativos da fusão existem um estado de plasma.
como uma função da temperatura em um experimento tempo confinamento é determinado pela utilizaç Que realiza-se uma medida geral importante de um sistema que defina as circunstâncias necessitadas para que um reator de fusão alcance , isto é, que o heating do plasma pelos produtos das reações da fusão é suficiente manter a temperatura do plasma de encontro a todas as perdas sem entrada de poder externo.
bibliográfica
Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta Como, Itália - 18/02/1745 + Como, 5/03/1827) energia de que tanto precisamos para acionar os eletrodomésticos, acender a luz de nossa casa também ser obtida do vento, do movimento das águas dos oceanos, da energia solar, e também da energia nuclear que está sendo utilizada para essa finalidade desde 1956. A primeira Usina Nuclear para produção de energia elétrica, que alcançou uma potência
com a fusão termonuclear, então eles são úteis para obter uma média sobre a stribuição dos produtos da seção transversal e da velocidade. A taxa de v> vezes o produto da densidade dos
Se um tipo de núcleo está reagindo com si próprio, tal como a reação PP,
aumenta de praticamente zero a temperatura ambiente para um keV. A estas temperaturas, bem típica (13,6 eV no caso do hidrogênio), os
como uma função da temperatura em um experimento é determinado pela utilização do se uma medida geral importante de um sistema s necessitadas para que um reator de fusão alcance , isto é, que o heating do plasma pelos produtos das reações da fusão é suficiente manter a temperatura do plasma de encontro a todas as perdas
Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (* 18/02/1745 + Como, 5/03/1827) A nto precisamos para acionar os eletrodomésticos, acender a luz de nossa casa poderá também ser obtida do vento, do movimento das águas também da energia nuclear que está sendo utilizada para essa finalidade imeira Usina Nuclear para produção
considerável, foi a de Calder Hall, na Inglaterra. Em 1956, sua primeira fase tinha 92.000 KW instalados.
Usina Nuclear de Calder Hall A energia atômica é obtida através do calor que se desprende dos átomos da matéria fissionada. Átomo é a menor quantidade de uma substância simples que tem as propriedades químicas do elemento e que permanece inalterada em uma transformação química. O átomo é formado principalmente por um núcleo composto de prótons e nêutrons e de elétrons, que giram em órbitas elípticas em volta do núcleo. O átomo mais leve é o do hidrogênio. Só tem um próton e um elétron. Um dos mais pesados é o do urânio 235, que tem 92 prótons e 143 nêutrons, assim seu número de massa é de 92 +143 = 235 partículas. A fissão do átomo acontece quando o seu núcleo é partido. Os núcleos são partidos mediante o choque de um nêutron. Para a fissão nuclear empregam-se átomos que tenham em seu núcleo muitos prótons e nêutrons, tornando-se assim, mais fácil rompe-los. É o caso do urânio 235 e do plutônio 239. O objetivo de se partir o núcleo dos átomos é aproveitar a energia calorífica que se desprende em consequência do seu rompimento. É no reator nuclear onde ocorre a fissão dos núcleos de um átomo, originando- se a reação em cadeia. Da fissão desprendem-se dois ou três nêutrons rápidos que, por sua vez e com velocidade adequadamente reduzida, rompem dois novos núcleos, que desprendem outros tantos nêutrons e, assim sucessivamente. Do rompimento dos núcleos desprende-se grande quantidade de energia que vai aquecer um reservatório de água fechado (circuito primário) Por sua vez o vapor d’água vai aquecer outro reservatório de água (circuito secundário), finalmente esse vapor vai mover a turbina.
Em um reator de potência do tipo PWR (termo, em inglês, para reator a água pressurizada), como os reatores utilizados no Brasil, o combustível é o urânio enriquecido cerca de 3,5%. Isso significa que o urânio encontrado na natureza, que contém apenas 0,7% do isótopo 235 U, deve ser processado “enriquecido” para que essa proporção chegue a 3,5%. Em reatores de pesquisa ou de propulsão – estes últimos usados como fonte de energia de motores em submarinos e navios –, o enriquecimento pode variar bastante. O processo completo de obtenção do combustível nuclear é conhecido como ciclo do combustível e compreende diversas etapas:
- Extração do minério do solo;
- Beneficiamento para separar o urânio de outros minérios;
- Conversão em gás do produto do beneficiamento, o chamado yellow cake ou “bolo amarelo”;
- Enriquecimento do gás, no qual a proporção de 235 U é aumentada até o nível desejado;
- Reconversão do gás de urânio enriquecido para o estado de pó;
- Fabricação de pastilhas a partir da compactação do pó;
- Finalmente a montagem dos elementos combustíveis, quando se colocam as pastilhas em cilindros metálicos que irão formar os elementos combustíveis do núcleo do reator. No mundo, estão em operação aproximadamente 440 reatores nucleares voltados para a geração de energia em 31 países. Outros 33 estão em construção. Cerca de 17% da geração elétrica mundial é de origem nuclear, a mesma proporção do uso de energia hidroelétrica e de energia produzida por gás. Alguns países desenvolvidos têm seu abastecimento de energia elétrica com um alto percentual de geração nuclear entre eles:
- França tem 78%,
- Bélgica 57%,
- Suécia 46%,
- Suíça 40%.
- Japão 39%,
- Coréia do Sul 39%,
- Alemanha 30%.
- USA 23% Somente nos Estados Unidos, os 104 reatores em funcionamento, geram 23% da eletricidade daquele país, produzem mais eletricidade que todo o sistema brasileiro de geração elétrica. Além desses reatores, funcionam mais 284 reatores de pesquisa em 56 países, sem contar um número estimado de 220 reatores de propulsão em navios e submarinos.
4-Aplicação na ciência e tecnologia: Projeto ITER
Alem de ser utilizada em diversos campos da medicina e da industria um dos campos com maior tendencia a crescer é o da energia eletrica; u m dos projetos em andamento é o ITER (International Thermonuclear Experimental Reator), baseado na tecnologia do Tokamak. O financiamento internacional deste projeto ultrapassa a barreira dos 10 bilhões de dólares.
Local de construção proposto para a usina do reator de fusão ITER em Cadarache, França.
evitar esta situação, o cilindro foi fechado sobre si mesmo numa configuração toroidal semelhante a da câmara de ar de um pneu. No entanto, a curvatura (e, conseqüentemente, a forca centrifuga) em conjunto com a não homogeneidade do 4.2-O tokamak ITER
Campo magnético (mais elevado na parte interior do toroide do que na parte exterior) dão origem a deriva das partículas carregadas; os íons e os elétrons tem tendência a separar-se e acabam por escapar do “aprisionamento magnético”. Para compensar este efeito as linhas do campo magnético devem ser helicoidais, o que se consegue adicionando ao campo magnético toroidal um outro campo que lhe e perpendicular, o campo poloidal. O campo magnético poloidal de um tokamak e criado por uma corrente axial que circula no próprio plasma, criada por indução magnética, comportando-se o plasma como o secundário do transformador. O plasma assim originado designa-se por plasma indutivo. Um tokamak funciona, em principio, em regime pulsado, uma vez que não e possível variar indefinidamente no tempo o fluxo magnético que circula no núcleo do transformador. Esta impossibilidade resulta da saturação do ciclo de histerese do ferro ou do fim da variação no tempo da corrente do primário. O tokamak pode, no entanto, operar em regime continuo desde que a corrente axial seja gerada de forma não indutiva, o que se consegue utilizando as ondas eletromagnéticas e/ou os feixes de partículas usados no aquecimento auxiliar do plasma.
4.3- Confinamento magnético: o exemplo do ITER
As principais peças do reator tokamak ITER são:
- Compartimento de vácuo - retém o plasma e mantém a câmara de reação em um vácuo.
- Injetor de feixe neutro (sistema cíclotron de íons) - a fim de ajudar a aquecer o plasma a temperaturas críticas, o injetor injeta no plasma feixes de partículas a partir do acelerador;
- Bobinas de campo magnético (poloidal, toroidal) - ímãs supercondutores que confinam, dão a forma e preservam o plasma usando campos magnéticos;
- Transformadores/solenóide central - fornecem eletricidade às bobinas de campo magnético;
- O calor será transferido por uma corrente de água para resfriamento até um trocador de calor, a fim de formar o vapor;
- O vapor irá estimular as turbinas elétricas a produzirem eletricidade;
- O vapor será condensado novamente em água, a fim de absorver mais calor do reator no trocador de calor.
Inicialmente, o tokamak ITER irá testar a viabilidade de um reator de fusão sustentável. Mais tarde será testada uma usina de energia de fusão.
5- Efeito do trabalho na formação do aluno
O trabalho teve como finalidade de mostrar uma área que num futuro terá muito campo para trabalho, porque o homem vem usando desenfreadamentre os recursos naturais que hoje tem disponíveis, e terá de desenvolver novas técnicas para que haja energia pra ele próprio.
Falar de trabalhar em uma usina nuclear pode soar um pouco perigoso para alguns , porem uma usina nuclear é munida de vários sistemas de segurança, que entram em ação automaticamente em casos de emergência. O principal deles é o sistema que neutraliza a fissão nuclear dentro do reator. São centenas de barras, feitas de materiais não fissionáveis (isto é, mesmo absorvendo nêutrons livres, não se dividem), como boro e cádmio, que são injetadas no meio reacionário.
O reator fica envolvido por uma cápsula de 3cm de espessura, feita de aço. O edifício é protegido com paredes de 70cm, feitas de concreto e estrutura de ferro e aço, e podem aguentar ataques terroristas (mísseis, aviões). Existem também órgãos internacionais, que vistoriam periodicamente as usinas nucleares, em busca de irregularidades, falhas, etc, justamente para que não haja acidentes como Chernobyl, que ate hoje sofre com os tristes acidentes ocorridos em 1986, onde um dos reatores a usinas após uma serie de incidentes ocorridos explodiu emitindo quantidades imensas de radiação na atmosfera, os impactos foram sentidos em quase toda a Europa, havendo casos de câncer e anomalias de DNA, ate hoje sentidas. Mas tais cuidados passaram a ser tomados depois da tragédia, e o setor nuclear é um grande
potencial de emprego no futuro, pois existem muitas vantagens qe ajudara o homem quando as atuais fontes de energia começarem a se esgotar
6 –Conclusão
As principais vantagens da energia nuclear são: o combustível é barato e pouco (em comparação com outras fontes de energia), é independente de condições ambientais/climáticas (não depende do sol, como usinas solares, ou da vazão de um rio, no caso das hidroelétricas), a poluição gerada (diretamente) é quase inexistente. Não ocupa grandes áreas. A quantidade de lixo produzido é bem reduzido. O custo da energia gerada fica em torno de 40 dólares por MW, mais caro que a energia das hidroelétricas, mas mais barato que a energia das termoelétricas, usinas solares, eólica, etc.
A fusão nuclear e uma fonte potencial de energia limpa, “amiga” do ambiente, segura, praticamente inesgotável e economicamente atrativa. A principal aplicação da fusão é a criação de eletricidade. A fusão nuclear poderá fornecer uma fonte limpa e segura de energia para as gerações futuras, com muitas vantagens em relação aos atuais reatores de fissão:
- Fornecimento abundante de combustível: o deutério pode ser imediatamente extraído da água do mar e o trítio em excesso pode ser obtido no próprio reator de fusão a partir do lítio, que está prontamente disponível na crosta terrestre. O urânio para fissão é raro; além disso, a exploração é difícil e é necessário enriquecê-lo para uso nos reatores;
- Segurança: as quantidades de combustível usadas para fusão são pequenas se comparadas aos reatores de fissão. Portanto, não ocorrem liberações não controladas de energia. A maioria dos reatores de fusão produz menos radiação do que a radiação de fundo natural com a qual convivemos diariamente;
- Pureza: não ocorre combustão na energia nuclear (fissão ou fusão), e portanto não há poluição do ar;