Um grande desafio enfrentado pelo desenvolvimento da energia de fusão é manter o plasma ultra-quente que alimenta as reações de fusão em um estado estacionário, ou sustentável, formar usando bobinas magnéticas supercondutoras para evitar a tremenda necessidade de energia das bobinas de cobre. Embora os supercondutores possam permitir que um reator de fusão opere indefinidamente, controlar o plasma com supercondutores apresenta um desafio porque as restrições de engenharia limitam a rapidez com que essas bobinas magnéticas podem se ajustar quando comparadas às bobinas de cobre que não têm as mesmas restrições.

O tempo de resposta mais lento dessas bobinas supercondutoras cria o problema. O ritmo mais lento torna difícil operar uma descarga estável com o grande volume de plasma ou altura vertical estendida necessária para produzir energia de fusão. A exploração deste problema em um dispositivo supercondutor atual é particularmente útil para o ITER, o experimento de fusão internacional em construção na França, que estará operacional em 2025.

Vanguarda do desafio

Na vanguarda deste desafio de controle está o dispositivo de Pesquisa Avançada de Tokamak Supercondutor da Coreia (KSTAR), um dos maiores tokamaks supercondutores do mundo. Seus supercondutores são feitos de nióbio e estanho, o mesmo condutor que está planejado para uso no ITER.

Uma equipe de pesquisadores norte-americanos e coreanos, liderado pelo físico Dennis Mueller do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE), agora melhorou drasticamente a estabilidade do plasma alongado em KSTAR, estabelecendo um exemplo de como lidar com problemas semelhantes em outros dispositivos supercondutores, como o ITER. O método de controle bem-sucedido, demonstrado neste verão por Mueller e físicos do National Fusion Research Institute (NFRI) na Coreia do Sul e General Atomics em San Diego, limita anos de esforço para controlar a instabilidade vertical, o que permitiu que o plasma saltasse para cima e para baixo no recipiente a vácuo de 3,5 metros de altura.

"À medida que o plasma ficava mais alto, ele se afastava da operação estável, "Mueller disse na 59ª reunião anual da American Physical Society Division of Plasma Physics em outubro." O novo método de correção impede que o plasma salte para cima e para baixo ao estabilizar o centro vertical do plasma. O controle da instabilidade vertical permitiu plasmas mais altos no KSTAR do que as especificações do projeto original. "

Eletrônica modificada

A chave para a correção foi a eletrônica modificada para sensores que detectam o campo magnético do plasma e o movimento e a posição do plasma. Os sensores modificados enviam rapidamente um sinal de controle que pode fornecer feedback sobre a posição vertical. O feedback usa uma bobina de controle vertical (IVC) interna para empurrar as mudanças na posição vertical e evitar o encerramento do plasma. "Usar os sinais de sensor aprimorados é fundamental para o sistema de controle funcionar bem, "Disse Mueller.

Os novos sensores magnéticos exigiram um esforço de equipe para serem desenvolvidos e otimizados. Fornecendo a eletrônica estavam os pesquisadores do KSTAR Jun Gyo Bak e Heungsu Kim. Liderando o esforço estavam Mueller e Sang-hee Hahn do KSTAR.

Além das melhorias do sensor, Nicholas Eidietis da General Atomics desenvolveu um sistema de controle que distingue entre mudanças rápidas e lentas nos sinais do sensor e direciona diferentes bobinas para responder ao movimento do plasma em diferentes escalas de tempo. O resultado final deste trabalho em equipe internacional é um sistema de controle que responde efetivamente aos movimentos do plasma, permitindo a operação com plasmas mais altos que excedem os requisitos de design KSTAR. O DOE Office of Science (FES) apoiou este trabalho colaborativo.