Para capturar e controlar na Terra as reações de fusão que impulsionam o sol e as estrelas, os pesquisadores devem primeiro transformar o gás da temperatura ambiente no quente, plasma carregado que alimenta as reações. No Departamento de Energia dos EUA (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), cientistas realizaram uma análise que confirma a eficácia de um romance, forma não padronizada de inicialização de plasma em futuras instalações de fusão compactas.

A técnica inovadora, conhecido como "injeção helicoidal coaxial transitória (CHI), "elimina o ímã central, ou solenóide, que lança o plasma dentro dos tokamaks, as instalações de fusão mais amplamente utilizadas. Essa eliminação pode facilitar a constante, ou estado estacionário, reações de fusão e também liberam espaço valioso no centro de tokamaks esféricos compactos, cujo formato de maçã tem menos espaço interno do que os tokamaks convencionais em formato de rosquinha, que são mais comuns.

Oferecendo vantagens

O espaço liberado pode oferecer vantagens:pode ser usado para fortalecer o campo magnético que confina o plasma e, assim, melhorar seu desempenho. A eliminação do solenóide também pode simplificar o projeto de tokamaks compactos.

As reações de fusão fundem os elementos leves na forma de plasma - o quente, estado carregado de matéria composta de elétrons livres e núcleos atômicos que ocorre naturalmente em todo o universo - e, portanto, gera energia. Os cientistas estão tentando replicar a fusão na Terra para um suprimento virtualmente inesgotável de energia limpa e segura para gerar eletricidade.

Solenóides percorrem o centro de um tokamak e induzem corrente no gás não carregado que os pesquisadores injetam na instalação. A corrente retira elétrons dos átomos do gás, transformando-o em um plasma carregado - um processo chamado "ionização, "ou quebra do plasma. A corrente também cria um campo magnético que se combina com o campo produzido pelos ímãs que cercam o tokamak para engarrafar e controlar o plasma, permitindo o aquecimento de aquecimento para produzir reações de fusão.

Eliminando o solenóide

Por contraste, o processo CHI transitório relatado na Física dos Plasmas produz a corrente elétrica crucial com eletrodos colocados perto da parte inferior ou superior do tokamak, eliminando o solenóide comedor de espaço. "Nosso foco principal foi o estágio inicial de formação do plasma, "disse o físico Kenneth Hammond, do Instituto Max Planck de Física do Plasma, o principal autor do artigo que fez pesquisas sobre CHI como um estudante de graduação da Universidade de Columbia no PPPL e está se juntando ao laboratório neste verão. "Isso ajudou a pintar um quadro mais completo de como funcionam as descargas de CHI."

O transiente CHI - assim chamado porque os eletrodos que produzem a corrente de lançamento de plasma funcionam brevemente em vez de continuamente - foi desenvolvido pela primeira vez em experimentos no pequeno Helicity Injection Torus (HIT-II) na Universidade de Washington e no maior National Spherical Torus Experiment (NSTX) no PPPL antes de sua atualização; o processo também foi modelado no PPPL. Os experimentos, que mostrou que o CHI transitório pode ser escalado de máquinas menores para maiores, motivou o estudo recente, disse Roger Raman, um físico da Universidade de Washington em uma atribuição de longo prazo para PPPL e um co-autor do artigo.

O estudo descobriu que a colocação de eletrodos CHI nos experimentos anteriores "poderia exibir uma fraqueza severa quando ampliada para um reator, "Hammond disse. Ele então analisou uma configuração alternativa de eletrodo semelhante ao usado atualmente no QUEST, um tokamak esférico no Japão. As descobertas mostraram que a configuração alternativa poderia ser bem dimensionada em uma futura instalação de fusão esférica baseada em tokamak projetada na PPPL. "A boa notícia deste estudo é que as projeções para o início de dispositivos de grande escala parecem promissoras, "Hammond disse.

Potencial valioso

A técnica CHI tem um potencial valioso, concordou Tom Brown, um engenheiro principal da PPPL que ajudou a projetar o conceito da futura instalação esférica. "Se for bem-sucedido, CHI pode fornecer espaço para componentes internos que podem melhorar o desempenho de dispositivos esféricos, "Brown disse. No entanto, ele adicionou, "mais detalhes de engenharia precisam ser desenvolvidos em nível experimental que também possam funcionar em um dispositivo de nível superior [de demonstração] e também em uma eventual usina de fusão".

Os pesquisadores testaram até agora a escala de CHI em simulações conduzidas no código de simulação Tokamak, um programa de computador criado pelo físico do PPPL Stephen Jardin que modelou plasmas em todo o mundo. Jardin, um co-autor do Física dos Plasmas relatório, trabalhou com Raman para produzir a simulação referida no artigo. "Embora o CHI nunca tenha sido testado em um dispositivo de grande escala de reator, "Hammond disse, "estamos otimistas de que as mesmas relações se manterão em tamanhos maiores com campos magnéticos mais fortes."

Futuros experimentos estão programados em URANIA, um tokamak esférico sem solenóide da Universidade de Wisconsin-Madison. Os novos experimentos vão testar a inicialização do plasma com dois eletrodos CHI transitórios operados independentemente - uma configuração que pode produzir maior flexibilidade para otimizar o sistema promissor.