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Tokamak

Reator de fusão nuclear

Tokamak é um dispositivo experimental projetado para confinar plasmas de alta temperatura numa região com a forma de um toróide, usando para isso campos magnéticos intensos. Dessa forma, é possível o estudo de plasmas em condições de temperaturas e densidades que possam levar à fusão nuclear controlada de núcleos leves como o deutério e trítio. Um dos objetivos da pesquisa nesta área é viabilizar a construção de reatores nucleares de fusão. O tokamak representa uma das várias classes de dispositivos para confinamento magnético de plasmas.[1][2][3]

Tokamak

ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) - projeto de reator experimental a fusão nuclear baseado na tecnologia do tokamak.
Características
Classificação
(fusion reactor)
Descobridor Igor Tamm, Andrei Sakharov, Oleg Lavrentiev
Commons Tokamaks
Trabalha com magnetic confinement fusion
Diferente de stellarator
Tokmok
levitated dipole Edit this on Wikidata
Localização
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O termo tokamak é uma transliteração da palavra russa tокамак que por si só é um acrônimo das palavras: "тороидальная камера с магнитными катушками" (toroidal'naya kamera s magnitnymi katushkami) — câmara toroidal com bobinas magnéticas.[4][5] Foi inventado no final da década de 1950 pelos físicos soviéticos Igor Tamm e Andrei Sakharov (que foram inspirados pela ideia original de Oleg Alexandrovich Lavrentiev)[4][6] e construído no Instituto Kurchatov em Moscou.[5][7]

Confinamento do plasma

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Para que a fusão nuclear ocorra é necessário que os núcleos se aproximem o suficiente para haver interação. Para isso é necessário vencer a repulsão eletrostática (uma vez que os núcleos possuem cargas elétricas positivas). Os núcleos que possuem a menor carga elétrica e, portanto, são mais adequados à fusão são o hidrogênio e seus isótopos (deutério e trítio).[1]

Para vencer a repulsão eletrostática, os núcleos devem ter uma energia muito grande; dito de outra forma, sua temperatura deve ser muito alta. Para que a fusão ocorra, a temperatura típica deve ser da ordem de 100 milhões de graus Celsius. Nesta temperatura os átomos são ionizados e a matéria fica no estado de plasma.[8]

Além da alta temperatura, o plasma deve ser mantido confinado numa determinada região do espaço e por um tempo suficientemente longo para aumentar probabilidade de fusão.[1]

Existem três formas para confinar o plasma:[1][8][9]

  • Confinamento gravitacional: é a forma como as estrelas contêm o plasma, os núcleos de hidrogênio, na forma de gás, são comprimidos pela gravidade atingindo temperaturas de milhões de graus. O Sol, assim como todas as estrelas, é na verdade um reator natural de fusão nuclear. Porém este tipo de confinamento é impraticável na Terra.
  • Confinamento inercial: neste caso são utilizados feixes de lasers ou de partículas muito intensos, que são focalizados em um alvo pequeno (cerca de 1 mm de diâmetro) contendo deutério e trítio. Dessa forma, o alvo é comprimido a densidades extremamente elevadas e sua temperatura sobe para cerca de 100 milhões de graus Celsius levando à fusão nuclear.
  • Confinamento magnético: o plasma é um fluido condutor, portanto as partículas carregadas sofrem uma força quando lhes é aplicado um campo magnético. As partículas descrevem trajetórias em forma de hélice, enrolando-se em torno das linhas de campo magnético. Dessa forma, com o uso de campos magnéticos apropriados, é possível confinar o plasma numa região do espaço. Vários dispositivos experimentais foram desenvolvidos usando o confinamento magnético, como tokamak, stellarator, espelhos magnéticos, teta-pinch e z-pinch.

Um exemplo de tempo de confinamento e temperaturas foi o obtido pelo tokamak coreano KSTAR, que em 2023, quebrou seu próprio recorde ao manter uma temperatura de 100 milhões de graus Celsius por 48 segundos. Essa conquista foi possível após uma atualização de seus componentes magnéticos, demonstrando o avanço da pesquisa nessa área.[10]

       
Selo postal soviético
de 1987 exibindo
a figura do
Tokamak T-15.[11] 		Tokamak KSTAR,[12]
Daejeon, Coreia do Sul. 		Interior do Alcator C-Mod,[13]
operado de 1991 a 2016 pelo
Instituto de Tecnologia
de Massachusetts. 		Plasma gerado no interior do
MAST (Mega Ampere Spherical
Tokamak) do Culham Centre for
Fusion Energy do Reino Unido.

Funcionamento

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Principais campos magnéticos do tokamak - Figura A: (1) - bobinas (azuis) que geram o campo toroidal (setas pretas); Figura B: (2) - campo magnético poloidal gerado pela corrente no plasma (3); Figura C: (6) campo toroidal + (7) campo poloidal gerando o campo resultante helicoidal (5).

O tokamak se utiliza do confinamento magnético para aprisionar e aquecer o plasma. Para isso usa um conjunto de bobinas nas quais flui uma corrente elétrica, gerando campos magnéticos (eletroímã) em uma configuração adequada.

Algumas dessas bobinas são distribuídas em torno de uma câmara em formato de toro (semelhante à câmara de pneu); são as bobinas que geram o campo magnético toroidal (vide figura).[1][8]

Além disso, é possível induzir uma corrente elétrica no próprio plasma; essa corrente gera o campo magnético poloidal (vide figura). A geração dessa corrente é possível por que o plasma num tokamak funciona como o enrolamento secundário de um transformador (o enrolamento primário fica localizado fora da câmara toroidal).[1][8]

Os campos toroidal e poloidal combinam-se gerando um campo resultante em espiral conhecido como campo helicoidal (vide figura). As partículas carregadas que formam o plasma descrevem trajetórias em forma de hélice em torno desse campo helicoidal, resultando em seu aprisionamento.[1][8][2]

A estabilização completa do plasma é conseguida adicionando-se ainda bobinas externas paralelas ao plano do toróide (bobinas poloidais), situadas acima e abaixo da câmara toroidal, que geram um campo magnético vertical.[1]

Países lusófonos

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Brasil

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No Brasil há pelo menos três tokamaks de pequeno porte: o Tokamak Chauffage Alfvén Brasilien (TCABR) no departamento de Física Aplicada da USP;[14] o Tokamak NOVA II, originário da Universidade de Kyoto, doado à Unicamp e, em seguida, ao Laboratório de Plasma do Instituto de Matemática, Estatística e Física (Imef) da Universidade Federal do Rio Grande - FURG, encontra-se, atualmente [15], no Laboratório de Plasma Térmico (LPT) do Departamento de Física (DFis) do Centro de Ciências Exatas (CCE) da Universidade Federal do Espírito Santo - UFES; e um terceiro, em formato esférico, no Laboratório Associado de Plasma do INPE, em São José dos Campos. Este último é denominado ETE (Experimento Tokamak Esférico).[16][17][18][19]

O Experimento Tokamak Esférico (ETE), é utilizado para estudos de plasma em tokamaks de baixa relação de aspecto. O ETE foi inteiramente projetado e construído no LAP (Laboratório Associado de Plasma) do INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais) do Brasil.[20][21][22][23]

Portugal

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Existe em Portugal um Tokamak de secção circular, ISTTOK.[24] Encontra-se montado e em funcionamento regular desde 1990 no Instituto de Plasmas e Fusão Nuclear, situado no campus do Instituto Superior Técnico em Lisboa. Com este reator, Portugal integra o projeto ITER[25] desde 1998 e conta também com a colaboração de cientistas brasileiros.

Ver também

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Referências

  1. ↑ a b c d e f g h Nelson Fiedler-Ferrari, Ivan Cunha Nascimento (1987). Fusão termonuclear controlada (PDF). São Paulo: Instituto de Física -USP 
  2. ↑ a b Bruno Coppi; Jan Rem (julho de 1972). «The Tokamak Approach in Fusion Research». Scientific American. Scientific American (em inglês). 227 (1): 65–75 
  3. ↑ Tokamak. Instituto de Física da Universidade de São Paulo.
  4. ↑ a b B D Bondarenko (2001). «Role played by O A Lavrent'ev in the formulation of the problem and the initiation of research into controlled nuclear fusion in the USSR». Moscow: Uspekhi Fizicheskikh Nauk (Russian Academy of Sciences). Physics - Uspekhi (em inglês). 44 (8): 844–851. doi:10.1070/PU2001v044n08ABEH000910. Consultado em 3 de janeiro de 2020 
  5. ↑ a b Garry McCracken, Peter Stott (2005). «Cap. 5 - Magnetic confinement». Fusion: The Energy of the Universe. Col: The Complementary Science Series (em inglês). [S.l.]: Elsevier Academic Press. ISBN 9780124818514 
  6. ↑ (em russo) Bondarenko BD: "O papel desempenhado por Lavrentiev na formulação do problema e no início da investigação da fusão nuclear controlada na física da URSS." Uspekhi Fizicheskikh Nauk. Fizicheskiy Institut im. P.N. Lebedeva Rossiyskoy Akademii Nauk (Avanços nas Ciências Físicas; Instituto de Física P.N. Lebedev da Academia Russa de Ciências).
  7. ↑ John Wesson (2014). «Cap. 1 - Bringing the sun to earth». The science of JET (PDF). JET–R(99)13. [S.l.]: Culham Publication Services. p. 6. Consultado em 3 de janeiro de 2020 
  8. ↑ a b c d e Carlos Varandas; M. E. Manso (janeiro de 2006). «Fusão nuclear uma opcão energética para o futuro». Portugal: Sociedade Portuguesa de Física. Gazeta de física. 29 (1): 66–73. Consultado em 3 de janeiro de 2020 
  9. ↑ Igor Zolnerkevic (agosto de 2011). «A energia das estrelas». São Paulo: Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo. Pesquisa FAPESP (186): 60–63. Consultado em 4 de janeiro de 2020 
  10. ↑ «"Artificial sun' sets record for time at 100 million degrees in latest advance for nuclear fusion"». CNN. 1 de abril de 2024. Consultado em 29 de abril de 2024 
  11. ↑ Arnoux, Robert (5 de novembro de 2010). «THE SECOND LIFE OF TOKAMAK T-15». ITER (em inglês). Consultado em 16 de maio de 2022 
  12. ↑ Fabiana Rolfini (28 de dezembro de 2020). «Reator de fusão nuclear coreano bate recorde de tempo em funcionamento». Olhar Digital . Consultado em 14 de maio de 2022 
  13. ↑ «Alcator C-Mod tokamak». MIT Plasma Science and Fusion Center (em inglês). Consultado em 14 de maio de 2022 
  14. ↑ «Física de Plasmas e Controle de Oscilações». Departamento Física Aplicada - USP. Consultado em 5 de janeiro de 2020 
  15. ↑ [1] Novo equipamento permite ampliação de pesquisas sobre fontes de energia limpa - Publicado em 21 de Julho de 2021 - 19:28. Acessado em 13 de junho de 2022
  16. ↑ G.O. Ludwig; Y. Aso, J.J; Barroso, J.L. Ferreira; R.M.O. Galvão; A. Montes; G.M. Sandonato; M. Ueda, W.P. Sá; A.G. Tuszel; L.C.S. Góes. The Proto-ETA small aspect ratio experiment. Improving Tokamak Performance through Innovations from Small Fusion Experiments, Proceedings of the IAEA Technical Committee Meeting on Research using Small Tokamaks, Washington, USA, 1990. IAEA Technical Document 604: 159-174, Vienna, 1991. In Research using small tokamaks. Proceedings of a Technical Committee Meeting held in Arlington, Virginia, USA, 27-28 September 1990.
  17. ↑ (em português) Inpe. Laboratório Associado de Plasmas. Tokamaks Esféricos (fusão)
  18. ↑ (em inglês) Ludwig, G.O.; Del Bosco, E.; Ferreira, J.G.; Berni, L.A.; Oliveira, R.M.; Andrade, M.C.R.; Shibata, C.S.; Ueda, M.; Barbosa, L.F.W.; Barroso, J.J., Castro, P.J. & Patire Jr, H.. (2003) Spherical tokamak development in Brazil. Brazilian Journal of Physics, 33(4), 848-859.
  19. ↑ [2]Inpe investe na área de fusão nuclear. Por Silveira , Virgínia. Publicado originalmente em Valor Econômico, 31 de março de 2010
  20. ↑ International Nuclear Information SystemThe ETE spherical Tokamak project. (INIS - Ludwig, Gerson Otto; Andrade, Maria Celia Ramos de; Barbosa & Luis Filipe Wiltgen. International Nuclear Information System, (em inglês) Acessado em 20/03/2019.
  21. ↑ Scielo - Spherical Tokamak Development in Brazil. G.O. Ludwig, E. Del Bosco, J.G. Ferreira, L.A. Berni, R.M. Oliveira,M.C.R. Andrade, C.S. Shibata, M. Ueda, L.F.W. Barbosa. Brazilian Journal of Physics, vol. 33, Nº 4, Dezembro, 2003, (em inglês) Acessado em 20/03/2019.
  22. ↑ Eddy currents in the vacuum vessel of the ETE spherical tokamak. - G.O. Ludwig, E. Del Bosco & J.G. Ferreira, ResearchGate, 2 de Dezembro de 2004, (em inglês). Acessado em 20/03/2019.
  23. ↑ Scielo - Theoretical Methods in the Design of the Poloidal Field Coils for the ETE Spherical Tokamak. Gerson Otto Ludwig, Laboratório Associado de Plasma, Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, São José dos Campos, SP, Brazil, Setembro de 1997, (em inglês) Acessado em 20/03/2019.
  24. ↑ (em português) Tokamak ISTTOK
  25. ↑ (em inglês) Projecto ITER

Bibliografia

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Ligações externas

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O Commons possui uma categoria com imagens e outros ficheiros sobre Tokamak

Vídeos

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  • YouTube - La energía inagotable del futuro: fusión nuclear. Proyecto ITER. Tokamak. (em castelhano) Página visitada em 14 de maio de 2022.
  • YouTube - Nuclear Fusion - Tokamak VS Stellarator. (em inglês) Página visitada em 14 de maio de 2022.
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