Fusão nuclear: dos tokamaks à dinâmica não linear

Abstract

Esta monografia busca discutir a fusão nuclear, o trabalho apresenta uma seção inicial apresentando as motivações do estudo da fusão nuclear, tais motivos apresentam-se como preocupação ambiental e disponibilidade energética para a população crescente do planeta. Segue-se então com a breve discussão da história do estudo da vida estelar, apresentando a formação de uma estrela até a sequência principal. A discussão termina em estrelas similares ao Sol por sua pertinência a este estudo. Seguindo desta, têm-se a apresentação por uma lente histórica do estudo da fusão nuclear terrestre, do surgimento do reator conhecido como Tokamak, e seu sucesso no estudo assim como a motivação de sua escolha, resultante de grande avanço tecnológico e busca por um reator comercialmente viável. Adiante, progride-se para a descrição do reator assim como as principais características deste. A descrição das ferramentas matemáticas usadas nos cálculos deste trabalho são formuladas em seguida, para então se fazer a descrição básica de como o confinamento de plasmas é realizado nos reatores. Apresenta-se a modelagem e descrição da interação da partícula com os campos magnéticos que a confinam, assim como as potenciais derivas na trajetória dessas partículas. Finalmente, há uma discussão sobre o fator de segurança o qual é de suma importância para este trabalho e a modelagem de um mapa do espaço de fases conhecido como não twist, através de uma seção de Poincaré, que busca descrever a ação de uma pertubação crescente sobre o campo magnético confinante e as consequências desta perturbação. Os mapas foram construídos no Wolfram Matheamatica 13.3.

This monograph will discuss nuclear fusion; the work presents, in its initial section, the motivation for the study of nuclear fusion, which are environmental concerns and the availability of energy for the increasing population of the planet. From this, the next topic discusses, briefly, the history of the study of the life of stars, from their formation up until it's main sequence. The discussions around stars ends with the Sun as it is most relevant for this study. Following this, there's a brief discussion, from a history perspective, of the study of nuclear fusion on earth, the emergence of the reactor known as the Tokamak and it's success for the study as well as the motivation for the study of this reactor, resulting from it's large technological advance and the search for a commercially viable reactor. Onward, the text progresses to the description of said reactor as well as it's main characteristics. The description of the mathematical tools used on this work are formulated right after, with a basic description on confinement and how plasma is confined within the reactors. The modeling and description of the interaction between a particle and the magnetic fields that confine it, as well as the potential drifts on the trajectories of it's particles is presented afterward. Finally, there's a discussion on the safety factor, which is of high importance for this work. The modeling for the phase space map known as non-twist is done through a Poincaré section, which will describe the effects of an increasing perturbation on the magnetic field responsible for confinement and the consequences of said perturbation. The maps were made with Wolfram Mathematica 13.3.