A fusão nuclear (ou termonuclear ) é o processo em que dois núcleos atômicos se combinam para formar um núcleo mais pesado. Essa reação ocorre naturalmente no Sol e na maioria das estrelas do Universo , onde todos os elementos químicos, exceto o hidrogênio e a maior parte do hélio, são criados . É, junto com a fissão nuclear , um dos dois principais tipos de reações nucleares aplicadas .
A fusão nuclear emite uma quantidade colossal de energia por unidade de massa, resultante da atração entre os núcleos devido à forte interação (ver energia de ligação nuclear ). Sendo a massa do (s) produto (s) de uma reação de fusão menor que a soma das massas dos núcleos fundidos, a diferença é transformada em energia cinética (depois em calor ) de acordo com a fórmula de Einstein E = mc 2 .
A fusão nuclear é usada em bombas H e, mais anedoticamente, em geradores de nêutrons . Pode ser utilizado para a produção de eletricidade , para o qual apresenta duas vantagens principais:
Apesar das pesquisas realizadas em todo o mundo desde a década de 1950, nenhuma aplicação industrial da fusão para geração de energia foi alcançada. Os engenheiros enfrentam o desafio de criar e manter uma temperatura de vários milhões de graus em um espaço confinado.
A fusão nuclear não tem nada a ver com o derretimento do núcleo de um reator nuclear , o que é um acidente nuclear particularmente terrível.
A descoberta das reações de fusão data do início XX th século. Após alguns experimentos, o astrofísico Arthur Eddington sugeriu em 1920 que a energia das estrelas se devia à fusão de núcleos de hidrogênio em hélio . Em 1934, Ernest Rutherford realizou a primeira reação de fusão em laboratório (entre átomos de deutério ).
Em 1938, o trabalho de Hans Bethe e Carl Friedrich von Weizsäcker resultou na fórmula de Weizsäcker , que dá um valor aproximado da energia de ligação entre os núcleos no núcleo atômico . A partir dessa fórmula, eles imaginam as reações que ocorrem dentro das estrelas. Em 1950, George Gamow estudou aqueles que podem ter ocorrido logo após o Big Bang . Em particular, ele analisa o efeito de tunelamento quântico que torna possível explicar a frequência das reações de fusão de núcleos que ocorrem nas estrelas.
Na década de 1940, esses estudos mostraram que os elementos produzidos em uma reação de fusão eram muito menos numerosos e tinham uma meia-vida significativamente mais curta do que os resíduos gerados pela fissão nuclear , sem falar que os recursos naturais para a fusão estavam disponíveis em quantidades gigantescas. A fusão criada nas estrelas graças à gravidade muito forte é então considerada na Terra usando campos magnéticos , um processo denominado fusão magnética .
Em 1946, os físicos britânicos George Paget Thomson e Moses Blackman registraram a primeira patente de um reator de fusão nuclear. Eles oferecem uma câmara de vácuo em formato tórico para confinar um plasma . Inventado no início dos anos 1950 pelos físicos soviéticos Igor Tamm e Andrei Sakharov em uma ideia original do físico Oleg Lavrentiev , a sigla tokamak vem do russo e se traduz como "câmara toroidal com bobinas magnéticas".
Devido à Guerra Fria , vários países iniciaram suas pesquisas de forma isolada e no maior sigilo ( Estados Unidos , URSS , Inglaterra , França , Alemanha e Japão ).
Em janeiro de 1958, os ingleses anunciaram que haviam obtido nêutrons a partir de reações de fusão: verificações mostram que esses nêutrons realmente vêm da instabilidade do plasma. Este fracasso provoca o agrupamento de pesquisas em nível global, anunciado em setembro do mesmo ano, em Genebra , durante o congresso do programa Atoms for Peace (“Atoms for Peace”). Em 1968, dois tokamaks russos, T3 e TM3, permitiram que um plasma ultrapassasse a temperatura em dez milhões de graus Celsius por 20 milissegundos. Esta linha de pesquisa é, portanto, considerada a mais promissora.
A perspectiva de uma fonte de energia quase inesgotável suscita inveja, enquanto o primeiro choque do petróleo e as previsões demográficas demonstram a precariedade dos recursos face às crescentes necessidades energéticas. Os anos 1970-1980 foram palco de uma corrida frenética por pesquisas experimentais e somas consideráveis foram gastas sem que o objetivo de obter um balanço energético positivo fosse alcançado; os Estados Unidos gastam até US $ 500 milhões por ano com isso. A maioria dos créditos é para o desenvolvimento de tokamaks cada vez mais poderosos. Outras áreas de pesquisa são exploradas. O plasma de laser de confinamento inercial é experimentado com lasers de potência, o solenóide de confinamento radial é considerado ( configuração de campo invertido (em) , FRC), experimentos de contenção de baixa potência por auto-organização do plasma devido às suas propriedades magnetohidrodinâmicas em um volume esférico ou spheromak são realizados.
Na década de 1990, o futuro do tokamak tradicional escureceu devido à consciência de seus limites de desempenho. Isso é expresso pela razão β (beta) do plasma, definida como a razão da pressão do plasma para a pressão magnética . Na época, o confinamento magnético era considerado a única forma de esperar as temperaturas necessárias para se obter reações de fusão que permitiam um balanço energético positivo. É unanimidade que esse fator não pode ultrapassar 5%, o que implica em gastar muita energia para tornar os ímãs cada vez mais potentes. Os fundos de pesquisa estão secando. O projeto ITER vê seu orçamento de construção aumentar dez vezes e os atrasos se multiplicam. Em 1997, o primeiro tokamak esférico "moderno", o START (en) , estabeleceu um novo recorde, elevando o β toroidal para 38%. Na Alemanha, outra linha de pesquisa, uma variação em torno do tokamak, está sendo realizada com a construção de um stellarator , o Wendelstein 7-X , projeto que data de 1994, mas finalmente entregue em 2015.
A esperança renasce, o projeto ITER finalmente arranca e a construção é lançada em 2011. Os primeiros plasmas estão programados para 2025. Já estamos pensando no período pós-ITER, que prenuncia novos designs de dispositivos mais compactos e potentes. Vários projetos de tokamak esférico para demonstração ( Tokamak esférico para produção de energia (en) ) são propostos e empresas privadas estão entrando na corrida.
a 4 de dezembro de 2020, A China inicia o mais eficiente de seus tokamaks, o HL-2M . Localizado na província de Sichuan , faz parte do programa ITER.
Uma reação de fusão nuclear requer dois núcleos atômicos para interpenetrar. Para isso, os núcleos devem superar a intensa repulsão decorrente de suas cargas elétricas, ambas positivas (fenômeno conhecido como “ barreira de Coulomb ”). Se apenas as leis da mecânica clássica fossem aplicadas, a probabilidade de obtenção da fusão do núcleo seria muito baixa, devido à energia cinética extremamente alta (correspondente à agitação térmica ) necessária para cruzar a barreira. No entanto, a mecânica quântica prevê, o que é verdade na prática, que a barreira de Coulomb também pode ser atravessada por tunelamento , a energias mais baixas.
As energias necessárias para a fusão permanecem muito altas, correspondendo a temperaturas de várias dezenas ou mesmo centenas de milhões de graus Celsius dependendo da natureza dos núcleos (ver abaixo: plasmas de fusão ). Dentro do Sol , por exemplo, a fusão do hidrogênio , que resulta em estágios na produção de hélio , ocorre a temperaturas da ordem de quinze milhões de Kelvin , mas seguindo padrões de reação diferentes daqueles estudados para a produção de energia de fusão em Terra. Em algumas estrelas mais massivas, as temperaturas mais altas permitem a fusão de núcleos mais pesados.
Quando dois núcleos se fundem, o núcleo resultante acaba em um estado instável e deve retornar a um estado estável de menor energia, ejetando uma ou mais partículas ( fóton , nêutron , próton , núcleo de hélio , dependendo do tipo de reação). O excesso de energia é distribuído entre o núcleo e as partículas emitidas na forma de energia cinética .
Do ponto de vista operacional comercial, para que a fusão possa ser energeticamente rentável, é necessário que a energia produzida seja maior do que a energia consumida para a manutenção das reações e pelas perdas térmicas para o meio externo. Em reatores de fusão, portanto, é necessário evitar qualquer contato entre o meio de reação e os materiais do meio ambiente, que é conseguido por confinamento intangível ( magnético ou inercial ).
As reações de fusão que emitem mais energia são aquelas que envolvem os núcleos mais leves. Assim, os núcleos de deutério 2
1H (um p + próton e um n nêutron ) e trítio 3
1H (um próton e dois nêutrons) estão envolvidos nas seguintes reações (onde 3
2Ele é hélio 3 e4
2He hélio 4 ):
Se a fissão nuclear foi controlada por muito tempo para a produção de eletricidade , este não é o caso da fusão.
Esta reação é difícil de realizar porque é necessário aproximar dois núcleos que naturalmente tendem a se repelir. Dominar a fusão de núcleos leves, como o deutério , na Terra , daria acesso a recursos energéticos em quantidades nunca antes encontradas pela espécie humana e produziria muito menos lixo nuclear do que a fissão. Esta aposta considerável tem levado as comunidades científicas nacionais e internacionais a lançar vários projetos de grande escala.
Existem vários métodos concebíveis para chegar ao confinamento do meio de reação para produzir reações de fusão nuclear, incluindo a fusão por confinamento magnético e fusão por confinamento inercial .
Nessas configurações, as partículas que compõem o plasma seguem uma trajetória em função de suas propriedades magnetohidrodinâmicas e das linhas de um campo magnético gerado pelo próprio plasma ou por ímãs. As partículas, portanto, retornam à sua posição inicial (configuração fechada) ou seguem um caminho que as leva a sair do dispositivo (configuração aberta).
O tokamak tóricoO tokamak é o candidato preferido para o desenvolvimento de uma usina de energia para a produção de eletricidade por fusão controlada. Ele funciona com base no princípio da troca de calor e do fluido de transferência de calor .
O primeiro passo é demonstrar, com o reator experimental ITER , que a energia produzida pelas reações de fusão é maior do que a energia consumida para manter o plasma em condições.
O tokamak esféricoOs tokamak esféricos são dispositivos de contenção magnética para realizar reações de fusão de núcleos de plasma com muito mais eficiência do que os anéis tokamak tradicionais.
Os experimentos atuais confirmam o potencial dos tokamaks esféricos. Todos os marcadores de eficiência são de uma ordem dez vezes maior do que o tokamak tradicional.
O stellaratorEm um stellarator , o confinamento do plasma é inteiramente alcançado por um campo magnético helicoidal gerado pelo complexo arranjo de bobinas ao redor do toro . O objetivo é controlar a trajetória de cada partícula, o que é impossível em um tokamak tórico tradicional por causa da geometria do toro: para fazer uma curva, as partículas dentro do toro percorrem uma distância menor do que as do lado externo. toro. Exemplo de um estelar: o Wendelstein 7-X .
O spheromakDe forma esférica, o spheromak segue um princípio de auto-organização do plasma graças às suas propriedades magneto-hidrodinâmicas. O fluxo de plasma, pela sua forma, gera um campo magnético que por sua vez o fortalece e estabiliza. Alguns dispositivos são híbridos de spheromak e tokamak esférico ( por exemplo, Proto-Sphera).
A startup canadense General Fusion , que está desenvolvendo um protótipo de spheromak em Vancouver com o apoio de investidores, incluindo o governo britânico e Jeff Bezos , anuncia o17 de junho de 2021que construirá seu primeiro demonstrador de 2022 a 2025 no campus da British Atomic Energy Authority em Culham, oeste de Londres. A potência da usina será de 115 MW .
Configurações abertasOs dispositivos capturam espelhos magnéticos e a configuração de campo invertido (en) (FRC) pode ser usada para propulsão espacial do tipo elétrica .
Aquecimento em fusão por confinamento magnéticoVários meios estão disponíveis para os físicos de fusão aquecerem o plasma de deutério e trítio.
Um primeiro meio consiste em um sistema que permite gerar uma corrente elétrica intensa no plasma. Na medida em que os eletrodos poluem o plasma, os pesquisadores induzem essa corrente graças a um campo magnético variável, aumentando ou diminuindo. Assim, a corrente induzida tem limites.
Também é possível aquecer o plasma por meio de um feixe de átomos neutros. Estes são, em um dispositivo separado, ionizados para poderem ser acelerados por um campo elétrico . Eles são então neutralizados pela reconexão de seus elétrons e, em seguida, injetados no plasma. Esses átomos devem ser necessariamente neutros, uma vez que os íons seriam desviados pelo campo confinante e não seriam capazes de acessar o centro do plasma. Uma vez no centro deste último, os átomos neutros se ionizam novamente e, devido ao seu excesso de energia cinética em comparação com o trítio e o deutério, cedem parte de sua energia no meio por meio de colisões. Esses átomos neutros são eles próprios trítio e deutério. Eles, portanto, também garantem o abastecimento de combustível .
Dessa forma, a energia é trazida por um feixe de luz laser ou por um feixe de partículas carregadas (elétrons ou íons) para uma bola de combustível de alguns milímetros de diâmetro. A ionização e o aquecimento rápido da parede externa do alvo levam a uma expansão do plasma, a uma taxa igual a aproximadamente c / 1000, ( c denotando a velocidade da luz no vácuo, ou seja, aproximadamente 3 × 10 8 m / s ) . Isso resulta no aparecimento de uma onda de choque centrípeta, que concentrará o combustível deutério-trítio no centro do alvo, em um diâmetro aproximadamente dez vezes menor que o diâmetro inicial. Falamos de efeito foguete para qualificar essa convergência da massa do alvo em oposição à expansão do plasma periférico (princípio das ações recíprocas da terceira lei de Newton ). Esta compressão leva à densificação do meio combustível (aproximadamente 1000 vezes, ou seja , 10 × 10 × 10), para dar uma densidade em nenhum lugar acessível na Terra , ou seja, 10 26 , e uma temperatura de aproximadamente dez milhões de graus. Essas condições levam a um grande número de reações de fusão, durando cerca de 10 picossegundos .
Status dos principais projetos de fusão nuclear controlada (outubro de 2014):
Projeto | Categoria | Data de comissionamento | Resultados | Dificuldades encontradas | Comentários |
---|---|---|---|---|---|
Commonwealth Fusion Systems | Tokamak | 2025 | (projeto em construção) | ||
ITER | Tokamak | 2025 | N / D
(projeto em construção) |
Tempo de construção,
orçamento excedido |
Projeto internacional (35 países) que se insere numa abordagem de longo prazo que visa a industrialização da fusão nuclear, cujo objetivo é atingir Q = 10 (dez vezes mais energia produzida do que consumida). Após a 1 r arranque, a máquina irá desligar o tempo para se preparar a fase seguinte (plasmas a potência nominal), em seguida a fase e a geração de energia nuclear de 2035. |
Joint European Torus | Tokamak | 1989 | Q = 0,65 (hoje a melhor razão entre a energia produzida e a energia induzida pela fusão nuclear). | N / D | O maior Tokamak funcional existente, fruto de uma colaboração entre diferentes laboratórios nacionais europeus. Desde 2004, está em fase de atualização com o objetivo de aumentar as suas capacidades de participação no desenvolvimento do projeto ITER . |
MAST-U (em) | Tokamak esférico | 2019 | recorde atual para beta toroidal em 38% | N / D | O maior tokamak esférico em operação hoje, aguardando o reparo do NSTX-U (in) . Suas funções atuais são testar as configurações do divertor para ITER |
Wendelstein 7-X | Stellarator | 2015 | Na fase de teste - os primeiros resultados mostram que as especificações das especificações foram alcançadas. | N / D |
|
Máquina Z | Deformação axial | 2010 | Fusão realizada em 2014. Temperatura três vezes inferior à do ITER. | Taxa de reação 10.000 vezes muito baixa para obter um rendimento Q > 1 | Programa privado americano desenvolvido pela Lockheed Martin nos laboratórios de sua subsidiária Sandia (questões de confidencialidade). É um simulador cujos experimentos de fusão são apenas parte de sua utilidade. |
CFR (en) | Armadilha magnética | N / D | Avanços teóricos. Potencial compactação do sistema. | Progresso difuso, sem protótipo funcional | Programa privado americano. A Lockheed Martin está procurando desenvolver um protótipo em curto prazo. |
Laser Megajoule | Contenção de laser | 2014 | N / D | Financiamento | O objetivo principal é ser um simulador para substituir os testes nucleares convencionais. Produzir energia é apenas uma linha secundária de pesquisa. |
Temperatura atingida
Tempo de manutenção de plasma
Poder de fusão nuclear
Na temperatura em que a fusão provavelmente ocorrerá, a matéria está no estado de plasma .
É um estado particular da matéria-prima em que átomos ou moléculas formam um gás ionizado .
Um ou mais elétrons da nuvem de elétrons que cerca cada núcleo foram arrancados, deixando íons carregados positivamente e elétrons livres, sendo o todo eletricamente neutro.
Em um plasma térmico, a grande agitação de íons e elétrons produz numerosas colisões entre as partículas. Para que essas colisões sejam suficientemente violentas e causem fusão, três quantidades estão envolvidas: a temperatura T , a densidade N e o tempo de confinamento τ .
O critério de Lawson afirma que a relação entre energia e energia perdida deve atingir um certo limite para o sistema lucrativo. A ignição ocorre em um estágio superior de produção de energia , ainda impossível de ser criada nos reatores existentes. Este é o limiar a partir do qual a reação é capaz de se sustentar. Para a reação deutério-trítio, esse limite é de 10 14 s / cm 3 .
A energia de ligação dos constituintes vem da forte força de interação nuclear , uma das quatro forças de interação fundamentais do Universo.
Porém, o investimento de energia a ser feito para obter essa ligação é proporcional ao produto das cargas elétricas dos dois núcleos atômicos presentes. É por isso que a escolha pela fusão recaiu sobre o deutério e o trítio , dois isótopos pesados do hidrogênio, para os quais este produto vale 1.
A energia mínima a ser fornecida para obter uma fusão é de 4 k eV (equivalente a uma temperatura de 40 milhões de kelvins ); a energia cinética liberada é então de 17,6 MeV , distribuída por 80% no nêutron emitido e por 20% no hélio 4 produzido.
Mas a energia necessária para atingir o critério de Lawson e uma eficiência suficientemente positiva é em torno de 10 k eV, ou 100 milhões de graus Celsius .
A reação "deutério + trítio" resulta na emissão de nêutrons rápidos . Esses nêutrons são impossíveis de confinar eletromagneticamente porque eles têm carga elétrica zero. Portanto, é provável que sejam capturados pelos núcleos atômicos da parede do recinto, que às vezes transmutam em isótopos radioativos (fenômeno de ativação ). A ativação pode, por sua vez, ser acompanhada por núcleos de produção de hélio , o que pode enfraquecer os materiais estruturais. Pode complicar o uso industrial da fusão e é objeto de estudos com diferentes soluções propostas (por exemplo, paredes em materiais compósitos , ou em ligas de ferro específicas ), mas requerem estudos experimentais de difícil realização.
As reações que geram nêutrons não são completamente "limpas", mas são muito menos Geradores de resíduos que reagem à fissão nuclear e a vida desses resíduos é muito menor À dos produtos radioativos criados em usinas de fissão nuclear .
Suprimento de deutérioO deutério está naturalmente presente em grandes quantidades nos oceanos , até 33 g / m 3 . Esses recursos teóricos iriam satisfazer o consumo de energia da espécie humana por milhões de anos. Na verdade, o deutério contido em 1 m 3 de água pode potencialmente fornecer tanta energia quanto a combustão de 668 t de óleo.
O processo de extração, a separação isotópica da água pesada pelo processo Girdler , já está industrializado.
Suprimento de trítioO trítio é muito raro na natureza, com cerca de um átomo de trítio 10 18 átomos de hidrogênio de 3,5 kg no mundo. Deve, portanto, ser preparado artificialmente e usado com bastante rapidez, pois sua natureza como um isótopo radioativo com meia-vida curta significa que metade do trítio natural ou artificial produzido desaparece em 12,3 anos. Além disso, é difícil confiná-lo, pois é um átomo tão pequeno que se infiltra no aço e pode passar por ele.
Se a fusão foi usada no campo militar com bombas H , ainda não há aplicação civil para a produção de eletricidade . Apenas protótipos de estudo poderiam ser construídos, cf. seção # Andamento dos projetos .
Existem alguns outros usos, como geradores de nêutrons .
O processo de fusão mais importante na natureza é aquele que alimenta as estrelas . O resultado líquido é a fusão de quatro prótons em uma partícula alfa (núcleo do hélio-4 ), acompanhada pela liberação de dois pósitrons , dois neutrinos (que transformam dois prótons em nêutrons ) e energia, mas várias reações individuais estão envolvidas. de acordo com a massa da estrela. Em estrelas semelhantes ou menores em tamanho que o Sol , a cadeia próton-próton predomina. Em estrelas mais pesadas, o ciclo carbono-nitrogênio-oxigênio (CNO) é o mais importante. Ambos os tipos de processo estão na origem da criação de novos elementos no quadro da nucleossíntese estelar . Outros processos entram em ação nas explosões de estrelas massivas em supernovas , que levam à criação de elementos pesados, como parte da nucleossíntese explosiva .
Nas temperaturas e densidades do núcleo da estrela, a taxa da reação de fusão é visivelmente baixa. Por exemplo, na temperatura ( T ≈ 15 MK ) e densidade ( 160 g / cm 3 ) do núcleo do Sol, a taxa de liberação de energia é de apenas 276 μW / cm 3 - cerca de um quarto do fluxo de calor por volume unitário de um ser humano em repouso. Assim, reproduzir em laboratório as condições do coração das estrelas com o propósito de produzir energia de fusão é completamente impossível de colocar em prática. Como as taxas de reação dependem fortemente da temperatura (exp (- E / kT )), é necessário, para atingir taxas razoáveis de produção de energia em reatores de fusão nuclear, trabalhar em temperaturas dez a cem vezes superiores. as do coração das estrelas, ou seja, T - 0,1 - 1 GK (da ordem de cem milhões a um bilhão de Kelvin ).
Na fusão realizada pelo homem, não há exigência de que o combustível utilizado seja constituído de prótons, sendo possível utilizar temperaturas mais elevadas para acessar reações com maior seção transversal . Isso implica em um valor menor do critério de Lawson e, portanto, menos esforço a ser produzido para o início das reações. A produção de neutrões, que constitui um assunto preocupante porque provoca uma activação radiológica da estrutura do reactor, tem por outro lado a vantagem de permitir a extracção da energia de fusão bem como a produção de trítio . As reações que não produzem nêutrons são consideradas aneutrônicas .
Para ser utilizável como fonte de energia, uma reação de fusão deve atender a vários critérios. Ela deve :
Poucas reações atendem a todos esses critérios. A seguir estão aqueles com as maiores seções transversais :
Para reações com dois produtos, a energia é distribuída entre eles na proporção inversa de suas massas, como mostrado. Na maioria das reações com três produtos, a distribuição de energias é variável. Para reações que podem dar origem a mais de um conjunto de produtos, as proporções são indicadas. Algumas reações candidatas podem ser eliminadas imediatamente. A reação D- 6 Li não tem nenhuma vantagem sobre p- 11 B porque, embora seja quase tão difícil de começar, ela produz consideravelmente mais nêutrons através das reações laterais 2 D- 2 D. Há também uma reação p- 7 Li, porém sua seção transversal é muito pequena, exceto talvez quando T i > 1 MeV , mas em tais temperaturas uma reação endotérmica, produzindo diretamente nêutrons, torna-se muito significativa. Finalmente, há uma reação p- 9 Be, que não só é difícil de disparar, mas na qual 9 Be pode facilmente ser dividido em dois alfas e um nêutron.
Além das reações de fusão, as seguintes reações envolvendo nêutrons são importantes para a produção de trítio em bombas de fusão "secas" e alguns reatores planejados:
n 0 | + | 6 Li | → | 3 T | + | 4 ele | ||
n 0 | + | 7 Li | → | 3 T | + | 4 ele | + | n 0 |
Para avaliar a utilidade dessas reações, além dos reagentes, produtos e energia liberados, também são necessárias informações sobre a seção transversal. Qualquer dispositivo de fusão tem uma pressão máxima que é capaz de manter, e um dispositivo econômico sempre terá que trabalhar próximo a esse máximo. Dado esta pressão, a energia de fusão máxima é obtida escolhendo uma temperatura tal que <σ v > / T 2 seja o máximo. É também a temperatura na qual o valor do triplo produto nTτ necessário para a ignição é mínimo, sendo o último inversamente proporcional a <σ v > / T 2 (ver critério de Lawson ). Esta temperatura ótima, bem como o valor de <σ v > / T 2 nesta temperatura, são dados para algumas dessas reações na tabela a seguir.
Combustível | T [keV] | <σ v > / T 2 [ m 3 s −1 keV −2 ] |
---|---|---|
2 D- 3 T | 13,6 | 1,24 × 10 −24 |
2 D- 2 D | 15 | 1,28 × 10 −26 |
2 D- 3 He | 58 | 2,24 × 10 −26 |
p + - 6 Li | 66 | 1,46 × 10 −27 |
p + - 11 B | 123 | 3,01 × 10 −27 |
Muitas dessas reações formam cadeias. Por exemplo, um reator alimentado com 3 T e 3 He cria um pequeno 2 D, que é então possível usar na reação 2 D + 3 He se as energias estiverem "corretas". Uma ideia elegante é combinar as reações (8) e (9). O 3 He produzido pela reação (8) é capaz de reagir com o 6 Li produzido pela reação (9), antes de sua completa termalização . Um próton é então produzido, o qual por sua vez pode sofrer a reação (8) antes da termalização. Uma análise detalhada mostra que essa ideia não funcionará muito bem, mas é um bom exemplo de um caso em que a hipótese usual de plasma Maxwelliano não é apropriada.
Qualquer uma das reações acima pode, em princípio, ser a base para a produção de energia de fusão. Além da temperatura e da seção transversal discutida acima, é necessário examinar a energia total dos produtos de fusão E de fusão , a energia dos produtos de fusão eletricamente carregados E ch e o número atômico Z dos reagentes diferentes dos isótopos de hidrogênio.
No entanto, a especificação da 2 D 2 D reacção envolve algumas dificuldades. Em primeiro lugar, é necessário fazer uma média nos dois ramos (2i) e (2ii). Então, o que é mais difícil, você tem que decidir como processar os produtos 3 T e 3 He. 3 T “queima” tão bem em um plasma de deutério que é praticamente impossível extraí-lo. A reação 2 D- 3 He é ótima em uma temperatura muito mais alta e a combustão na temperatura ótima para 2 D- 2 D pode ser baixa; portanto, parece razoável supor que 3 T queimará, mas não 3 He, e que a energia assim liberada será adicionada à da reação. A energia de fusão 2 D- 2 D será, portanto, E fusão = (4,03 +17,6 + 3,27) / 2 = 12,5 MeV e a das partículas carregadas E ch = (4,03 + 3, 5 + 0,82) / 2 = 4,2 MeV .
Um outro aspecto específico da 2 D 2 D reacção é a presença de um reagente único, que devem ser tidos em conta quando se calcula a velocidade de reacção.
Com base nessas escolhas, os parâmetros de quatro das reações mais importantes são mostrados na tabela a seguir.
Combustível | Z | E fusão [MeV] | E ch [MeV] | Neutronicidade |
---|---|---|---|---|
2 D- 3 T | 1 | 17,6 | 3,5 | 0,80 |
2 D- 2 D | 1 | 12,5 | 4,2 | 0,66 |
2 D- 3 He | 2 | 18,3 | 18,3 | ~ 0,05 |
p + - 11 B | 5 | 8,7 | 8,7 | ~ 0,001 |
A última coluna corresponde à neutronicidade da reação, definida como a fração da energia de fusão liberada na forma de nêutrons. É um indicador importante da extensão dos problemas associados aos nêutrons, como danos por radiação, proteção biológica, manuseio remoto e segurança. Para as primeiras duas reacções, que é dada por ( E fusão - E CH ) / E de fusão . Para os dois últimos, onde esta fórmula daria um resultado igual a 0, os valores dados são estimativas aproximadas baseadas em reações colaterais que produzem nêutrons em um plasma em equilíbrio térmico.
É necessário misturar os reagentes nas proporções ideais. Este é o caso quando cada íon reagente e seus elétrons associados participam da metade da pressão. Assumindo que a pressão total é fixa, isso significa que a densidade dos íons não hidrogênio é menor do que a dos íons hidrogênio por um fator de 2 / ( Z +1). Como resultado, a taxa dessas reações é reduzida pelo mesmo fator, que é a maior diferença nos valores de <σ v > / T 2 . Por outro lado, uma vez que o 2 D 2 D reacção tem apenas um reagente, a taxa é duas vezes tão elevada como se o combustível consistia de dois isótopos de hidrogénio.
Existe, portanto, uma "penalidade" de (2 / ( Z +1)) para outros combustíveis que não o hidrogênio, devido ao fato de que precisam de mais elétrons, que absorvem a pressão sem participar da reação de combustão. É geralmente correto assumir que a temperatura do elétron e a temperatura iônica são praticamente iguais. Alguns autores imaginam que os elétrons podem ser mantidos a uma temperatura muito mais baixa do que os íons. Em tais situações, conhecidas como “modos de íons quentes”, a “penalidade” não se aplicaria. Existe, igualmente, um "prémio" de um factor de 2 para o 2 D 2 D de reacção , devido ao facto de cada ião pode reagir com qualquer um dos outros iões, e não apenas com uma fracção de eles..
A tabela a seguir compara essas reações.
Combustível | <σ v > / T 2 | Penalidade / bônus | Reatividade | Critério de Lawson | Densidade de potência (W m −3 kPa −2 ) | Razão de densidade de potência |
---|---|---|---|---|---|---|
2 D- 3 T | 1,24 × 10 −24 | 1 | 1 | 1 | 34 | 1 |
2 D- 2 D | 1,28 × 10 −26 | 2 | 48 | 30 | 0,5 | 68 |
2 D- 3 He | 2,24 × 10 −26 | 2/3 | 83 | 16 | 0,43 | 80 |
p + - 6 Li | 1,46 × 10 −27 | 1/2 | 1.700 | 0,005 | 6.800 | |
p + - 11 B | 3,01 × 10 −27 | 1/3 | 1.240 | 500 | 0,014 | 2.500 |
O valor máximo de <σ v > / T 2 é obtido de uma tabela anterior. O fator de “penalidade / bônus” é aquele ligado a um reagente não hidrogênio ou a uma reação em uma única espécie. Os valores na coluna “reatividade” são obtidos dividindo 1,24 × 10 −24 pelo produto da segunda e terceira colunas; cada valor indica o fator de desaceleração das reações em relação à reação 2 D- 3 T sob condições comparáveis. A coluna "Critério de Lawson" pondera esses resultados por E ch e dá uma indicação da dificuldade de se obter ignição com essas reações, em comparação com a reação 2 D- 3 T. A última coluna, chamada de "densidade de potência", pondera a reatividade prática por fusão E ; ele fornece o fator de redução da densidade da energia de fusão para uma reação particular versus a reação 2 D- 3 T e pode ser visto como uma medida do potencial econômico.
Os íons que sofrem fusão quase nunca o fazem isoladamente, mas são misturados com elétrons que neutralizam a carga elétrica dos íons para formar um plasma . Como os elétrons geralmente têm uma temperatura comparável ou superior à dos íons, eles colidem com eles e emitem raios X cuja energia é da ordem de 10 a 30 keV ( Bremsstrahlung ou radiação de frenagem ). O Sol e as estrelas são opacos aos raios X , mas a maioria dos reatores de fusão da Terra tem baixa espessura óptica para os raios X dessa faixa de energia. A reflexão dos raios X é difícil de obter, mas são absorvidos (e convertidos em calor) por uma espessura inferior a 1 mm de aço inoxidável (que faz parte da blindagem de um reator). A relação entre a potência de fusão produzida e essas perdas é um importante critério de qualidade da reação. O valor máximo desta relação é geralmente obtido a uma temperatura muito mais alta do que aquela que faz a densidade de potência máxima (veja o subcapítulo anterior). A tabela a seguir mostra a temperatura ótima aproximada, bem como a relação de potência nessa temperatura para várias reações.
Combustível | T i (keV) | P fusion / P Bremsstrahlung |
---|---|---|
2 D- 3 T | 50 | 140 |
2 D- 2 D | 500 | 2,9 |
2 D- 3 He | 100 | 5,3 |
3 He- 3 He | 1000 | 0,72 |
p + - 6 Li | 800 | 0,21 |
p + - 11 B | 300 | 0,57 |
É provável que as verdadeiras relações entre a potência de fusão e a potência de Bremsstrahlung sejam visivelmente mais fracas, por várias razões. Em primeiro lugar, os cálculos assumem que a energia dos produtos da fusão é inteiramente transmitida aos íons do combustível, que a perdem por colisão em benefício dos elétrons, que por sua vez perdem energia pela Bremsstrahlung . No entanto, como os produtos da fusão têm uma velocidade muito mais rápida do que os íons de combustível, eles cedem uma parte significativa de sua energia diretamente aos elétrons. Em segundo lugar, presume-se que o plasma contém apenas íons de combustível. Na prática, há uma proporção significativa de íons de impureza, o que diminuirá a proporção. Em particular, os próprios produtos de fusão devem permanecer no plasma até que tenham perdido sua energia, e lá permanecerão por algum tempo, independentemente do método de contenção previsto. Finalmente, todos os canais de perda de energia, exceto Bremsstrahlung, foram considerados insignificantes. Os dois últimos fatores estão relacionados. Teoricamente e experimentalmente, o confinamento de partículas e o confinamento de energia parecem estar intimamente relacionados. Em um processo de contenção que efetivamente retém energia, os produtos de fusão aumentarão. Se os produtos de fusão forem expelidos com eficiência, a contenção de energia será pobre.
As temperaturas para as quais a razão entre as potências de fusão e Bremsstrahlung é máxima são em todos os casos mais altas do que aquelas para as quais a densidade de potência é máxima e o produto de fusão tripla é mínimo. Isso não muda muito o ponto de operação ideal para 2 D- 3 T porque a parcela de Bremsstrahlung é pequena, mas empurra outros combustíveis para regimes onde a densidade de potência relativa a 2 D- 3 T é ainda mais baixa e a contenção necessária ainda mais difícil de alcançar. Para 2 D- 2 D e 2 D- 3 He, as perdas por Bremsstrahlung constituem um problema sério, talvez até mesmo de bloqueio. Para 3 He- 3 He, p + - 6 Li ep + - 11 B, as perdas por Bremsstrahlung parecem impossibilitar a realização de um reator de fusão utilizando esses combustíveis com um plasma isotrópico quase neutro. Esta limitação não se aplica a plasmas não neutros, nem a plasmas anisotrópicos , que, no entanto, têm seus próprios desafios.
Existem muitos desafios em relação à confiabilidade e segurança para operação de longo prazo. Eles variam de acordo com o tipo de reator.
Eles dizem respeito em particular:
Após a decisão tomada em 2006 de realizar o projeto ITER em França, várias instituições de ensino superior francesas aderiram a uma federação de “Formação em Ciências de Fusão”. Esta formação visa preparar cientistas e engenheiros de muito alto nível, franceses ou estrangeiros, aptos a investir em programas relacionados com a investigação em plasmas, fusão e energia. Em particular na exploração científica e técnica de grandes equipamentos associados. A especialidade do mestrado abrange, portanto, todos os campos científicos e tecnológicos relativos a meios ionizados por abordagens teóricas, simulação e experimental e oferece educação multidisciplinar sobre plasmas, em toda a sua variedade, materiais sob irradiação, criotecnologia e supercondutividade, aquecimento de altíssima potência por microondas ou lasers e instrumentação em ambientes extremos. O treinamento ocorre por meio de três cursos: dois enfocam a física ( fusão por confinamento magnético e plasmas magnetizados por um lado, fusão por confinamento inercial e plasmas densos por outro), um terceiro curso é mais tecnológico no conteúdo e abrange o física e tecnologias de plasma e fusão.
Com a fusão de algumas universidades, oito estabelecimentos, espalhados por quatro sedes em França, ficam co-autorizados a entregar este diploma, com cursos a decorrer em paralelo nestas sedes e durante o agrupamento de alunos em Cadarache e Bordéus:
Quatro escolas de engenharia também estão associadas: