Fusão Nuclear

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA – UFSC
CAMPUS ARARANGUÁ
ANA HELENA KARPOVISCH, LUMMA RABELO, NATHALIA FARIAS, VERÔNICA PIRES
FUSÃO NUCLEAR
Araranguá
ANA HELENA KARPOVISCH, LUMMA RABELO, NATHALIA FARIAS, VERÔNICA PIRES
FUSÃO NUCLEAR
Trabalho da disciplina de Energias Renováveis e Sustentabilidade do curso de Engenharia de Energia da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). 
Araranguá
2015
RESUMO
 Com o crescimento populacional e o avanço tecnológico, a necessidade de mudança da matriz energética vem se acentuando cada vez mais, uma vez que 80% dessa é composta por combustíveis fósseis. A fusão nuclear seria a alternativa perfeita, sendo uma energia limpa e com estoques de combustíveis para milhares de anos, mesmo se fosse produzida energia por fusão para o mundo todo. Os estudos na área são relativamente novos e ainda não temos a tecnologia necessária para implementarmos esse tipo de usina. Esse trabalho visa mostrar os principais aspectos da fusão nuclear, as dificuldades no desenvolvimento da tecnologia, os modelos de reatores já existentes, assim como os principais projetos na área e vantagens e desvantagens.
Palavras-chave: fusão nuclear, energia.
ABSTRACT
With population growth and technological advances, the need to change the energy matrix has been increasing more and more, as 80% of this consists of fossil fuels. Nuclear fusion would be the perfect alternative, being a clean energy and fuel stocks for thousands of years, even if it was produced by fusion energy worldwide. Studies in the area are relatively new and do not yet have the technology needed to implement this type of plant. This work aims to show the main aspects of nuclear fusion, the difficulties in developing the technology, models of existing reactors, as well as the main projects in the area and advantages and disadvantages.
Keywords: nuclear fusion energy.
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO....................................................................................................................05
2 PRODUÇÃO DE ENERGIA POR FUSÃO NUCLEAR..................................................05
3 FUSÃO NUCLEAR NA TERRA........................................................................................06
3.1 PLASMA............................................................................................................................06
3.2 REATORES DE FUSÃO NUCLEAR................................................................................06
3.3 FORMAS DE OBTENÇÃO DE ENERGIA PELA FUSÃO NUCLEAR EM REATORES..............................................................................................................................07 
3.3.1 Confinamento Magnético..............................................................................................07
3.3.2 Confinamento Inercial…………………......………………………............………….08
4 PRINCIPAIS PROJETOS..................................................................................................08
4.1 JET…..................................................................................................................................08
4.2 ITER…………………………………………………………………….............………...08
4.4 NIF......................................................................................................................................09
4.3 PROJETOS NO BRASIL...................................................................................................10
4.3.1 Nova – Unicamp.............................................................................................................10
4.3.2 TCABR – USP................................................................................................................10
4.3.3 ETE - INPE….................................................................................................................10
4.3.4 Instituto de Física da UFMS.........................................................................................11
4.3.5 Pós Graduação em Física de Plasma do ITA...............................................................11
4.4 VANTAGENS E DESVANTAGENS................................................................................11
5 CONCLUSÃO......................................................................................................................11
6 REFERÊNCIAS...................................................................................................................12
1 INTRODUÇÃO
A Agência Internacional de Energia prevê que o consumo mundial de energia dobre nos próximos 40 anos. Atualmente cerca de 80% do consumo energético é de fontes fósseis, situação que não é sustentável pelas graves alterações atmosféricas que provoca e estes combustíveis deverão estar esgotados num futuro próximo, começando pelo petróleo. São, por isso, necessárias opções energéticas alternativas de grande escala, sendo a fusão nuclear uma dessas opções.
Ao longo de bilhões de anos, as nuvens de hidrogênio do início do universo se uniram através de forças gravitacionais para depois formarem corpos estelares maciços, os quais possuem densidade e temperatura elevadíssimas nos seus núcleos, onde ocorre a fusão nuclear. Essa fusão nada mais é que a junção de dois átomos leves, para formar um átomo mais pesado, normalmente se iniciando com dois átomos de hidrogênio e formando um de hélio. Essa reação, no núcleo das estrelas, normalmente se acaba quando um átomo de ferro é formado, pois o processo passa a ser energeticamente desfavorável. 
Quando uma estrela converte uma apreciável fração de seu hidrogênio e hélio em elementos mais pesados, ela passa para a etapa final de sua vida. Algumas estrelas mais maciças que o Sol, nessa etapa final de sua vida, expandem-se e explodem produzindo, num pequeno intervalo de tempo, mais energia que o Sol irá produzir em toda sua vida. Quando isso ocorre, dizemos que a estrela tornou-se uma supernova, e, nessa fase, muitas reações nucleares importantes acontecem. Na explosão, os núcleos são acelerados a velocidades muito maiores que as que eles normalmente tinham na estrela, e agora, os núcleos em alta velocidade colidem e podem fundir, produzindo os elementos com massa maior que a do ferro. Essa energia extra vinda da explosão é necessária para superar a enorme força repulsiva entre os núcleos devido a carga elétrica nuclear. 
A cada segundo, o Sol produz 600 milhões de toneladas de hidrogênio em hélio, liberando uma enorme quantidade de energia. Portanto, se isso for reproduzido na Terra, teríamos uma grande quantidade de energia limpa e eficaz, porém sem o benefício de forças gravitacionais em trabalho no nosso Universo, alcançar a fusão em laboratório tem exigido muito trabalho e pesquisa para descobrir uma maneira de fazer isso acontecer de uma maneira diferente.
2 PRODUÇÃO DE ENERGIA POR FUSÃO NUCLEAR
A energia de ligação por núcleon (próton ou nêutron) do núcleo inicial é menor que essa energia do núcleo final, isso faz com que ocorra a liberação de energia. 
A fusão de átomos de hidrogênio de luz (HH) produz um elemento pesado, hélio. A massa do átomo de hélio resultante não é a soma exata dos dois átomos iniciais, ou seja, alguma massa foi perdida durante a reação e grandes quantidades de energia foram “criadas”. Da fórmula de Einstein:
E = m c²
temos que:
B = (Z mp + N mn – ma) c²
onde B = energia de ligação, A = massa atômica, Z mp + N mn = massa atômica de repouso dos constituintes e ma = massa de repouso do núcleo formado. 
3 FUSÃO NUCLEAR NA TERRA
Existem algumas formas de obtenção de energia através da fusão nuclear na Terra, contudo, para entendê-las, é preciso primeiro entender alguns outros conceitos.
3.1 PLASMA
O plasma consiste em um gás ionizado constituído de elétrons liberados do núcleo de hidrogênio quando aquecido a temperaturas extremas e os próprios núcleos. De comportamento coletivo (movimento das
partículas é influenciado por forças de longo alcance, como a Lei de Coulomb), é um meio quase neutro, ou seja, em qualquer volume, as cargas negativas e positivas são praticamente iguais. O fato do conter partículas carregadas é o que possibilita o seu confinamento magnético.
3.2 REATORES DE FUSÃO NUCLEAR
Reator de fusão nuclear é qualquer sistema físico em que se produz e controla uma reação nuclear de fusão em cadeia. Embora existam vários métodos propostos e sendo implementados para a geração de energia por meio da fusão, ainda não existe um reator que funcione satisfatoriamente. 
A reação de fusão deutério-hélio 3
D+ He₃ → He₄+ H [ ∆E = 18,3 MeV ]
 e a reação de fusão deutério-trítio
D + T → He₄+ n [ ∆E = 17,6 MeV ]
são consideradas as mais importantes porque liberam grande quantidade de energia por unidade de massa. Para executar a reação deutério-hélio 3, deve-se enfrentar um problema: enquanto o deutério, um isótopo de hidrogênio apropriado para a fusão, pode ser facilmente obtido da água do mar, o hélio 3 é raro e não pode ser obtido por qualquer processo simples conhecido. Por outro lado, para a execução da reação deutério-trítio, existe um problema tão grande quanto ou ainda maior: o trítio, terceiro isótopo do hidrogênio, é muito raro na natureza e os nêutrons produzidos, ao serem absorvidos por vários tipos de núcleos, podem originar núcleos radioativos, comprometendo a segurança das instalações. Aparentemente, esses dois problemas têm solução: o trítio pode ser produzido pelo bombardeamento de núcleos de lítio 6 pelos nêutrons liberados num reator de fissão, de acordo com a seguinte reação
⁶Li₃ + n → ⁴He₂ + ³H₁
e o perigo dos nêutrons produzidos também pode ser resolvido: eles podem ser absorvidos por núcleos de lítio 6, segundo a mesma reação, e o hélio 3 pode ser obtido, num futuro não tão distante, em terras lunares. O obstáculo mais importante, que impede o funcionamento satisfatório dos reatores de fusão, é a incapacidade de se manter certa quantidade de plasma de deutério e trítio num estado de temperatura e pressão adequado para que ocorram as reações de fusão, durante um intervalo de tempo longo o bastante para produzir uma quantidade de energia maior do que aquela consumida no processo.
3.3 FORMAS DE OBTENÇÃO DE ENERGIA PELA FUSÃO NUCLEAR EM REATORES
3.3.1 Confinamento Magnético
O plasma é comprimido adiabaticamente pelo rápido aumento da intensidade do campo magnético. Como conseqüência disso, a temperatura do plasma aumenta e as partículas carregadas do plasma são obrigadas a girar em volta das linhas de força do campo magnético até que aconteçam as reações de fusão. 
O núcleo de hélio carrega uma carga elétrica que irá responder aos campos magnéticos do tokamak (os componentes básicos do sistema de confinamento magnético do Tokamak são: o campo toroidal produzido por bobinas que rodeiam a câmara de vácuo e o campo poloidal produzido por uma corrente no plasma, a qual é induzida por ação do transformador. Outras bobinas que envolvem o exterior da câmara de vácuo definem a forma e a posição da coluna de plasma.), principal modelo de reator nuclear por confinamento magnético, e permanecem confinados dentro do plasma. No entanto, cerca de 80% da energia produzida é arrastada a partir do plasma pelos nêutrons que não tem carga elétrica e é afetada por campos magnéticos. Os nêutrons serão absorvidos pelas paredes circundantes do tokamak, transferindo sua energia para as paredes em forma de calor. No ITER, este calor vai ser disperso através de torres de resfriamento. No subsequente protótipo de fusão, DEMO, e em futuras instalações de fusão industriais, o calor vai ser utilizado para produzir vapor e, por meio de turbinas e alternadores, eletricidade.
3.3.2 Confinamento Inercial
Feixes muito intensos de raios laser aumentam a temperatura e comprimem minúsculas cápsulas com um plasma de deutério e trítio no seu interior, até que ele atinja um estado de temperatura e pressão adequado para que ocorram as reações de fusão.
4 PRINCIPAIS PROJETOS
4.1 JET
JET (Joint European Torus), com 15 metros de diâmetro e 12 metros de altura é o maior reator nuclear no modelo "Tokamak" já construído. Ele possui o recorde de maior produção de energia através da fusão nuclear e atingiu ou superou todos os parâmetros fixados para a concepção desta máquina. Construído em 1983, na Inglaterra, com o apoio da União Européia consumindo 20MW produziu 16MW, porém sua reação durou dez segundos. Seu objetivo era confirmar a teoria científica da fusão nuclear. Atualmente o JET é usado coletivamente por mais de 40 laboratórios europeus. O European Consortium for the Development of Fusion Energy, EUROfusion, fornece a plataforma de trabalho para explorar o JET em uma maneira eficiente e focada. Como conseqüência mais de 350 cientistas e engenheiros de toda a Europa contribuem atualmente para o programa JET.
4.2 ITER
ITER (Reator Termonuclear Experimental Internacional), atualmente em construção em Cadarache, no sul da França, é um experimento científico em grande escala projetado com o objetivo de testar a viabilidade de realizar científica e tecnicamente fusão como uma fonte segura de energia. O reator de fusão nuclear ITER não irá produzir eletricidade. Durante o seu tempo de vida operacional, ITER irá testar tecnologias-chave necessárias para a etapa seguinte: testar a tecnologia em uma usina de fusão de demonstração que irá provar que é possível capturar a energia de fusão para uso comercial. 
Idealizado em 1985, o projeto envolve sete parceiros: União Europeia, Índia, Japão, Rússia, Estados Unidos, Coreia do Sul e China. Após enfrentar problemas como discussões sobre a localização da sede e orçamentos bilionários (cerca de R$45 bilhões), em 2007, o ITER finalmente começou a ser construído. As estimativas são de que a construção seja finalizada na década de 2020.
O ITER foi baseado no projeto JET, que conseguiu realizar reações de fusão em rompantes de tempo muito curtos, mas o processo exigiu mais energia do que foi capaz de produzir, e no conceito de "Tokamak" de confinamento magnético e foi projetado, em forma de anel, para gerar dez vezes mais energia (500 MW) do que consumirá. 
4.3 NIF
A técnica de confinamento inercial foi usada no experimento dos pesquisadores do laboratório de ciência avançada Lawrence Livermore na Califórnia (EUA), conduzido na National Ignition Facility (NIF), e o resultado mostrou que não são necessários equipamentos tão resistentes quanto a técnica de confinamento magnético, porém a quantidade de energia utilizada é maior. Se levado em conta todo o aparato envolvido na reação, não teve ganho energético. Mas, desta vez, os cientistas pelo menos conseguiram que a energia gerada fosse 1,8 vezes maior que a contida no combustível.
O objetivo do NIF é tentar reproduzir em laboratório a tão especulada fusão a frio, ou implosão atômica, usando lasers. 
Para obter a fusão, os cientistas bombardearam 192 feixes lasers que transmitem uma potência de 500 trilhões de watts, em um cilindro metálico dourado chamado de hohlraum, com tamanho menor que um grão de feijão. No interior desse objeto, mantido congelado, havia vácuo e também uma cápsula plástica (2mm de diâmetro) que abrigava deutério e trítio. O aquecimento do metal do hohlraum pelos feixes de laser deu origem a raios X, que pressionaram a cápsula com o combustível. A cápsula foi comprimida em até 36 vezes, devido à pressão sofrida. Depois de ser comprimida até ficar com uma densidade três vezes maior que a do centro do Sol, a cápsula de combustível implodiu dando inicio a fusão dos átomos de deutério e trítio e a liberação de energia. Toda a reação aconteceu mais rapidamente que um piscar de olhos, em 150 picosegundos.
Os feixes lasers antes de incidirem na “câmara alvo” (grande esfera metálica de alta resistência, onde está o cilindro), consistem em apenas um feixe laser, que passa por diversos amplificadores feitos de cristais puros até atingir quantidades inimagináveis de energia
e se dividir em 192 feixes superpotentes.
A expectativa dos cientistas é conseguir que a energia produzida na fusão nuclear por confinamento inercial seja maior que a energia total usada no sistema, incluindo a energia usada pelos superpotentes lasers. Quando essa meta for atingida, os cientistas terão conseguido o que chamam de ignição.
Para que esse ponto fosse alcançado pelo experimento dos pesquisadores da NIF, seria necessário aplicar sobre a cápsula de combustível uma pressão mil vezes mais intensa que a usada, o que não é possível com os instrumentos atuais.
Dificilmente o confinamento inercial por laser terá aplicação prática, pois exigiria uma instalação de energia com 200 lasers de altíssima potência. Esses lasers, além de consumir muita energia, ocupam espaços enormes e não podem ser usados continuamente, é preciso um intervalo de pelo menos 10 minutos entre cada implosão, o que tornaria a produção de energia insustentável.
4.3 PROJETOS NO BRASIL
Por ser uma energia ainda em desenvolvimento, é comum sair em noticiários novas descobertas na área da fusão nuclear, principalmente em se tratando do projeto mais importante em desenvolvimento: o ITER. Mas no Brasil também existe pesquisas nessa área e será apresentado os principais projetos brasileiros a seguir.
4.3.1 Nova - Unicamp
O grupo de pesquisa da UNICAMP faz pesquisas teóricas e experimentais com reatores de confinamento magnético. Na parte teórica, investiga-se, principalmente, modelos físicos do plasma para tentar melhorar o confinamento e diminuir ao mínimo possível o desvio da rota das partículas e, além disso, como produzir uma corrente elétrica no plasma utilizando métodos não-indutivos, em alternativa ao método mais comum de obtê-la por meio de uma aparelhagem semelhante a um transformador (ou seja, por indução eletromagnética).
A parte experimental também aborda esses mesmos problemas, em articulação com a teórica. Para isso, o laboratório no Instituto de Física Gleb Wataghin da Unicamp (IFGW) possui um tokamak chamado NOVA-Unicamp, recebido como doação do Japão em 1996. É um aparelho pequeno em comparação com os gigantes pelo mundo afora, mas o tamanho dá vantagens: é muito mais barato fazê-lo funcionar e, assim, pode-se repetir um experimento quantas vezes for preciso até se conseguir chegar a uma conclusão sobre uma teoria ou um teste.
Nesses estudos experimentais é medido parâmetros básicos do plasma, como temperatura, densidade e tipos de impurezas que o contaminam, para que se possa fazer um diagnóstico do mesmo e, assim, poder testar algumas técnicas e analisar seus resultados, que podem, então, ser comparados com medidas obtidas em outros tokamaks ou com resultados teóricos.
4.3.2 TCABR – USP
Em parceria com a International Atomic Energy Agency, a USP desenvolveu um projeto e construiu, em 1977, o primeiro tokamak brasileiro, o TBR-1. Atualmente o grupo de pesquisa utiliza o TCABR, tokamak trazido da Suíça, para pesquisas principalmente nas áreas de aquecimento do plasma por ondas Alfvèn, melhoria dos regimes de confinamento, rotação toroidal e poloidal do plasma, desenvolvimento de diagnósticos e aquisição de dados e controle remoto. 
4.3.3 ETE - INPE
O Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais tem um programa de pesquisa do Laboratório Associado de Plasma (LAP), onde fazem pesquisas principalmente sobre as diversidades, físicas básicas e tecnologias do plasma de fusão e, também, do plasma natural. 
Para aprimorar as pesquisas na área do plasma, o LAP projetou e construiu um tokamak, denominado ETE (Experimento Tokamak Esférico), que funciona por indução magnética toroidal, que tem como principais objetivos explorar as propriedades dos tokamaks de baixa razão de aspecto, desenvolver diagnósticos de plasma apropriados para tokamaks esféricos, treinar estudantes, professores e técnicos através de colaboração com outros laboratórios e universidades, explorar outras opções de geração de corrente durante a fase de iniciação do plasma e operação em estado estacionário e realizar estudos para melhor o confinamento do plasma. 
4.3.4 Instituto de Física da UFMS
O grupo de física de plasmas tem como principal objetivo desenvolver pesquisas teóricas usando simulação numérica sobre a interação de ondas de radiofrequência com plasmas na geometria tokamak para geração de corrente para aquecimento e controle de instabilidades. A principal motivação da pesquisa é a construção de reatores baseados na Sfusão nuclear.
4.3.5 Pós Graduação em Física de Plasma do ITA
O Instituto Tecnológico da Aeronáutica oferece o curso de pós-graduação em física de plasma, no qual são estudados plasmas quentes e frios aplicados a fusão termonuclear controlada e tecnologias de plasma voltadas para o desenvolvimento de dispositivos de reatores para tratamento de materiais e deposição de filmes finos para aplicação na nanotecnologia. 
4.4 VANTAGENS E DESVANTAGENS
A fusão apresenta vantagens como uma fonte de energia para geração de eletricidade que é segura, sustentável e não agressiva ao meio ambiente.
O deutério, usado como combustível nuclear, é praticamente inesgotável e estando disponível em todo o mundo. O trítio é produzido a partir do lítio introduzido no reator, que por sua vez se encontra distribuído na crosta terrestre e as reservas existentes podem durar por milhares de anos, mesmo que toda a eletricidade seja gerada por fusão. Além disso, com o desenvolvimento de reatores avançados de fusão, operando em temperaturas acima de 109 K, o deutério puro poderia ser usado como reagente no futuro e o combustível disponível na Terra duraria por bilhões de anos. Reações ou liberação de energia fora de controle não são possíveis - no caso de uma falha, o plasma atinge as paredes do reator e esfria imediatamente.
Não há produção resíduos radioativos de longa duração e produtos de combustão química numa reação de fusão e, portanto, não há poluição do ar ou da água. Radioatividade é produzida pelos nêutrons liberados nas reações de fusão quando interagem com a estrutura do reator, mas decai rapidamente com a escolha apropriada de materiais de baixa ativação para construção do reator.
Suas desvantagens se encontram na parte da contenção do plasma e nas altas temperaturas e pressões necessárias. Necessita de intensa pesquisa e o trítio pode se tornar reativo.
5 CONCLUSÃO 
Usar métodos de se obter energia através de fusão nuclear é sem sombra de duvidas de uma grande eficiência, pois não causa danos ao meio ambiente e é segura. Entretanto os desafios propostos para que realmente aconteça a produção de energia por fusão são grandes. As pesquisas estão ficando mais avançadas e de acordo com pesquisadores num futuro próximo pode ser que se consiga usar esse modo de se produzir energia. Se esses pesquisadores estiverem certos a dependência de combustíveis fosseis será extremamente pequena ou quase nula, pois a quantidade de energia gerada por fusão é relativamente alta podendo assim suprir a necessidade energética do mundo.
6 REFERÊNCIAS
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