EXISTEM PROBLEMAS DE RADIOACTIVIDADE ASSOCIADOS À FUSÃO NUCLEAR?

Os combustíveis base de um reactor de fusão são o Deutério e o Lítio, que não são elementos radioactivos. O Trítio é produzido no interior do reactor através de reacções entre o Lítio da camada fértil (“blanket”) e os neutrões resultantes das reacções entre o Deutério e o Trítio. Este elemento é radioactivo, com uma curta semi-vida da ordem de 12.5 anos, mas que nesta aplicação não é perigoso porque está contido no interior do reactor.

Os neutrões induzem uma radioactividade secundária nas paredes câmara de vácuo e noutros equipamentos próximos dos reagentes. Contudo, com uma escolha criteriosa de materiais de baixa activação, esta radioactividade induzida pode ser limitada a um período da ordem de 50 a 100 anos, após o que se torna inferior a que é produzida pelas cinzas resultantes da queima de carvão.

O QUE É UM PLASMA?

Um plasma é um meio ionizado, quase neutro com comportamento colectivo.

Meio ionizado significa que um plasma é constituido não só por partículas neutras (moléculas e átomos) mas também por um número significativo, crescente com a temperatura e dependente do modo de criação do plasma, de partículas carregadas (iões e electrões) que resultam da ionização dos átomos.

Quase neutro significa que, devido à existência de muitas partículas carregadas, qualquer potencial que seja aplicado ao plasma é curto-circuitado numa distância de alguns comprimentos de Debye do ponto onde o potencial foi aplicado ao plasma. De facto, enquanto no vácuo o potencial criado por uma carga q varia com

onde r representa a distância do ponto onde medimos o potencial à carga, num plasma

onde l_D representa o comprimento de Debye,  definido através da expressão

Comportamento colectivo significa que o movimento das partículas carregadas do plasma (iões e electrões) é regido por forças de longo alcance, do tipo da Lei de Coulomb, e não por forças de pequeno alcance como, por exemplo, as colisões. A força que as partículas carregadas de um plasma exercem sobre uma dada carga q diminui com o quadrado da distância. Simplesmente como o número de cargas que actua sobre q aumenta com r³, a força que estas cargas exercem sobre a carga alvo q aumenta com r. Por esta razão, as forças devidas à Lei de Coulomb num meio ionizado são forças de longo alcance.           

TODOS OS MEIOS IONIZADOS SÃO PLASMAS?

Não. Para que um meio ionizado seja um plasma é necessário que se verifiquem três condições:

• As dimensões típicas do meio têm de ser muito maiores do que a distância de Debye;
  
• O número de partículas carregadas que se encontram no interior de uma esfera com raio igual à distância de Debye tem de ser muito maior do que 1;
  
• As frequências típicas das oscilações que ocorrem no meio tem de ser muito maiores do que as frequências de colisão.

ONDE OCORREM OS PLASMAS?

Os plasmas ocorrem nos Laboratórios, em alguns utensílios do nosso quotidiano (por exemplo, nas lâmpadas fluorescentes, nas lâmpadas coloridas de um anúncio ou em alguns écrans modernos das televisões e dos computadores), na ionosfera e nas estrelas e no espaço inter-estrelar.

QUE IMPLICAÇÕES TEM O FACTO DA IONOSFERA SER CONSTITUIDA POR UM PLASMA?

O facto de uma camada da atmosfera terrestre, mais concretamente a ionosfera, ser constituida por um plasma tem duas implicações principais:

(i) Se pretendermos comunicar para além da ionosfera (por exemplo, com uma nave espacial) temos de usar uma frequência superior à frequência de plasma máxima da ionosfera;

(ii A ionosfera actua como um espelho reflector para as frequências abaixo da banda das suas frequências de plasma. Este facto e a base da propagação das ondas de rádio na chamada onda curta.

QUAIS SÃO AS TEMPERATURAS TÍPICAS DE UM PLASMA?

As temperaturas típicas das partículas de um plasma laboratorial vão desde alguns décimos de eV, até 10 a 20 keV num grande dispositivo experimental de plasmas de fusão por confinamento magnético. Os electrões dos plasmas da ionosfera e do vento solar têm respectivamente 10^-1 eV e 50 eV. A temperatura no centro do Sol está estimada em cerca de 2 keV .

AS VÁRIAS ESPÉCIES DE PARTÍCULAS DE UM PLASMA TÊM A MESMA TEMPERATURA?

Não. As várias espécies de partículas de um plasma (electrões, iões e partículas neutras) têm, normamente, temperaturas diferentes, devido ao facto de estarem em estados de equilíbrio termodinâmico caracterizados por funções de distribuição de velocidades diferentes.

No caso dos plasmas confinados magneticamente acresce que cada espécie de partículas carregadas pode ter temperaturas diferentes nas direcções paralela e perpendicular ao campo magnético.

PORQUE SE DIZ QUE O PLASMA É O QUARTO ESTADO DA MATÉRIA?

Quando se aumenta a energia de um sólido (por exemplo, um cubo de gelo), o meio passa, sucessivamento aos estados líquido e gasoso (em que temos, respectivamente, água e vapor de  água). Continuando a aumentar a energia do meio, através, por  exemplo, do seu aquecimento, aumentamos a energia térmica das partículas e podemos chegar a uma situação em que as partículas, ao sofrerem colisões,  se podem ionizar e formar deste modo um novo estado da matéria a que se dá o nome de plasma.

O QUE É UM ELECTRÃO-VOLT?

O electrão-Volt (eV) é a energia que um electrão adquire ao ser acelerado entre dois pontos que possuem uma diferença de potencial de 1 Volt. Desta definiçao resulta que:

1 eV = 1.6x10^-19 Joules

Por vezes medimos  a temperatura das partículas de um plasma (iões ou electrões) em eV. Neste caso, estamos a apresentar o valor da energia térmica (KT, em que K é a constante de Boltzmann).  Como

K=1.38x10^-23 J/^ok

podemos concluir que

1 eV = 11600 ^oC

 O QUE É A FREQUÊNCIA DE PLASMA?

Suponhamos que uma partícula carregada de um plasma é afastada da sua posição de equilíbrio. Deste modo, quebra-se a neutralidade do plasma e cria-se um campo eléctrico que vai fazer regressar a partícula a sua posição de equilíbrio. Simplesmente quando esta posição for atingida, embora o campo eléctrico seja nulo, a partícula possui energia cinética (foi acelerada pelo campo eléctrico desde a posição de afastamento máximo até à posição de equilíbrio), pelo que continua o seu movimento para o outro lado até que a energia cinética seja nula. Mas quando se verificar esta condição, estamos novamento numa situação de quebra da neutralidade do plasma, pelo que novamente sob a acção de um campo eléctrico a partícula inicia um movimento de sentido contrário. Quer dizer, o afastamento de uma partícula carregada do plasma da sua posição de equilíbrio cria um oscilador harmónico, com uma frequência de oscilação, designada por frequência de plasma, dada por:

 

em que n_e, e e m representam, respectivamente, a densidade, o módulo da carga e a massa da partícula. Se não considerarmos as colisões, as oscilações anteriormente descritas tem amplitude constante. Se o plasma for finito ou se a temperatura das partículas for diferente de zero, estas oscilações propagam-se e transformam-se nas chamadas ondas de plasma.

Como num plasma existem dois tipos de partículas carregadas (electrões e iões), podemos definir duas frequências de plasma, a dos electrões (w_pe) e a dos iões (w_pi). Como os iões tem uma massa muito maior do que os electrões, w_pi<w_pe.

Confinamento de partículas carregadas por um campo magnético

O QUE É A FREQUÊNCIA CICLOTRÓNICA?

As partículas carregadas de um plasma giram a volta das linhas de força do campo magnético que procede ao confinamento do plasma (B), com uma frequência angular, designada por frequência ciclotrónica, definida pela expressão

   w_c =eB/m

onde é e o módulo da carga eléctrica da partícula e m a sua massa, em órbitras circulares cujo raio, designado por raio de Larmor, é dado por:

    r_L= v_^ / w_c

em que v ^ representa a componente da velocidade da partícula no plano perpendicular ao campo magnético.

Como existem dois tipos de partículas carregadas num plasma (electrões e iões) podemos definir a frequência ciclotrónica e o raio de Larmor dos electrões (w_ce e r_Le) e dos iões (w_ci e r_Li).

O QUE É A EQUAÇÃO DE DISPERSÃO DE UM MEIO?

A equação de dispersão de um meio é a expressão matemática que relaciona o número de onda com a frequência das ondas que se propagam no meio. Por exemplo, as relações

w = k c

e

w² = w_pe ²  + c² k²

em que c é a velocidade da luz no vácuo e w pe representa a frequência de plasma dos electrões, são as equações de dispersão de ondas electromagnéticas no vácuo e num plasma infinito, frio, não sujeito à acção de um campo magnético estático

O QUE É UM DIAGRAMA DE DISPERSÃO?

Um diagrama de dispersão é uma representação gráfica da variação do número de onda com a frequência da onda.

O QUE É UM MEIO DISPERSIVO?

Um meio é dispersivo quando a velocidade de fase de uma onda que se propaga no meio depende da sua frequência

O QUE É UMA FREQUÊNCIA DE CORTE?

Um corte é uma frequência para a qual k=0. Quando uma onda se propaga num plasma e encontra uma  condição de corte, a onda é reflectida pelo meio. Esta propriedade é usada no projecto de diagnósticos do plasma e na propagação na ionosfera das ondas de rádio da banda das ondas curtas.

O QUE É UMA FREQUÊNCIA DE RESSONÂNCIA?

Uma ressonância é uma frequência para a qual k= ¥S. Quando uma onda se propaga num plasma e encontra uma condição de ressonância, a onda é absorvida pelo meio. Esta propriedade é usada no projecto de sistemas auxiliares de geração de corrente e de aquecimento do plasma por ondas de potência de rádio-frequência.