Tokamak: diferenças entre revisões

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== Confinamento do plasma ==
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[[Ficheiro:Tokamak fields lg-numbers.png|miniaturadaimagem|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).|alt=]]


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 elétrica|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 [[Hidrogénio|hidrogênio]] e seus [[isótopos]] (deutério e trítio).<ref name="Preprint"/>
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 elétrica|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 [[Hidrogénio|hidrogênio]] e seus [[isótopos]] (deutério e trítio).<ref name="Preprint"/>
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*[[Confinamento inercial]]: neste caso são utilizados feixes de [[laser]]s 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 inercial]]: neste caso são utilizados feixes de [[laser]]s 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 de Lorentz|força]] quando lhes é aplicado um campo magnético. As partículas descrevem trajetórias em forma de [[Hélice (geometria)|hélice]], enrolando-se em torno das [[Linha de campo|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''.
* Confinamento magnético: o plasma é um [[fluido]] condutor, portanto as partículas carregadas sofrem uma [[Força de Lorentz|força]] quando lhes é aplicado um campo magnético. As partículas descrevem trajetórias em forma de [[Hélice (geometria)|hélice]], enrolando-se em torno das [[Linha de campo|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''.

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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.

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Algumas dessas bobinas são distribuídas em torno de uma câmara em formato de [[Toro (topologia)|toro]] (semelhante à câmara de [[pneu]]); são as bobinas que geram o campo magnético toroidal (vide figura).<ref name="Preprint"/><ref name="Gazeta"/>

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Além disso, é possível [[Indução eletromagnética|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).<ref name="Preprint"/><ref name="Gazeta"/>

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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.<ref name="Preprint"/><ref name="Gazeta"/><ref name="ScientifcAm"/>

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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.<ref name="Preprint" />

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|Tokamak [[KSTAR]],<ref>{{citar web|url=https://olhardigital.com.br/2020/12/28/noticias/reator-de-fusao-nuclear-coreano-bate-recorde-de-tempo-em-funcionamento/|título=Reator de fusão nuclear coreano bate recorde de tempo em funcionamento|autor=Fabiana Rolfini|data=28 de dezembro de 2020|publicado=[[Olhar Digital ]]|acessodata=14 de maio de 2022|arquivourl=|arquivodata=|urlmorta=}}</ref> <br />[[Daejeon]], [[Coreia do Sul]].
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== Funcionamento ==

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[[Ficheiro:Tokamak fields lg-numbers.png|miniaturadaimagem|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).|alt=]]

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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.

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Algumas dessas bobinas são distribuídas em torno de uma câmara em formato de [[Toro (topologia)|toro]] (semelhante à câmara de [[pneu]]); são as bobinas que geram o campo magnético toroidal (vide figura).<ref name="Preprint"/><ref name="Gazeta"/>

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Além disso, é possível [[Indução eletromagnética|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).<ref name="Preprint"/><ref name="Gazeta"/>

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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.<ref name="Preprint"/><ref name="Gazeta"/><ref name="ScientifcAm"/>

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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.<ref name="Preprint" />


== Países lusófonos ==
== Países lusófonos ==

Revisão das 03h01min de 16 de maio de 2022

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
Categoria Tokamaks
Trabalha com magnetic confinement fusion
Diferente de stellarator, levitated dipole, Tokmok
Localização
[ Editar Wikidata ] [ Mídias no Commons ]
[ Categoria principal ] [ Editar infocaixa ]

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]

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

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.
Selo postal soviético
de 1987 exibindo
a figura do
Tokamak T-15.[10] 		Tokamak KSTAR,[11]
Daejeon, Coreia do Sul. 		Interior do Alcator C-Mod,[12]
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

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

Brasil

No Brasil há pelo menos três tokamaks de pequeno porte: o Tokamak Chauffage Alfvén Brasilien (TCABR) no departamento de Física Aplicada da USP;[13] o Tokamak NOVA II; doado pela Unicamp ao laboratório de Plasma do Instituto de Matemática, Estatística e Física (Imef) da Universidade Federal do Rio Grande - FURG, que anteriormente veio da Universidade de Kyoto; 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).[14][15][16][17]

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.[18][19][20][21]

Portugal

Existe em Portugal um Tokamak de secção circular, ISTTOK.[22] 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[23] desde 1998 e conta também com a colaboração de cientistas brasileiros.

Ver também

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. ↑ Arnoux, Robert (5 de novembro de 2010). «THE SECOND LIFE OF TOKAMAK T-15». ITER (em inglês). Consultado em 16 de maio de 2022 
  11. ↑ 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 
  12. ↑ «Alcator C-Mod tokamak». MIT Plasma Science and Fusion Center (em inglês). Consultado em 14 de maio de 2022 
  13. ↑ «Física de Plasmas e Controle de Oscilações». Departamento Física Aplicada - USP. Consultado em 5 de janeiro de 2020 
  14. ↑ 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.
  15. ↑ (em português) Inpe. Laboratório Associado de Plasmas. Tokamaks Esféricos (fusão)
  16. ↑ (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.
  17. ↑ Inpe investe na área de fusão nuclear. Por Silveira , Virgínia. Publicado originalmente em Valor Econômico, 31 de março de 2010
  18. ↑ 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.
  19. ↑ 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.
  20. ↑ 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.
  21. ↑ 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.
  22. ↑ (em português) Tokamak ISTTOK
  23. ↑ (em inglês) Projecto ITER

Bibliografia

Ligações externas

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

Vídeos

  • 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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