Físicos do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) desenvolveram um diagnóstico que fornece informações cruciais em tempo real sobre o plasma ultraquente girando em máquinas de fusão em forma de donut conhecidas como tokamaks. Este dispositivo monitora quatro locais em um plasma, permitindo que o diagnóstico faça cálculos rápidos de como os perfis de velocidade dos íons dentro do plasma evoluem ao longo do tempo.

Os resultados estão entre os primeiros obtidos a partir do National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U) do PPPL, a máquina carro-chefe do Laboratório recentemente atualizada. Esta pesquisa foi apoiada pelo DOE Office of Science (Fusion Energy Sciences).

Em um artigo na edição de novembro de 2016 da Física do plasma e fusão controlada , os físicos Mario Podestà e Ron Bell relatam o comissionamento e operação bem-sucedidos do dispositivo, chamado de diagnóstico de velocidade em tempo real (RTV), que poderia se tornar parte de um sistema para controlar ativamente a velocidade de rotação do plasma. "O controle da rotação é fundamental para otimizar a estabilidade do plasma contra uma gama de instabilidades, "observou Stan Kaye, vice-diretor de programa da NSTX-U. Essa estabilidade é essencial para que as reações de fusão ocorram.

O diagnóstico reúne informações observando o que acontece quando um feixe de átomos neutros é injetado no plasma. Quando esses átomos interagem com íons de carbono carregados no plasma, os átomos de carbono excitados produzem um fóton de luz que o diagnóstico detecta. O instrumento deduz a velocidade dos íons de plasma levando em consideração o efeito Doppler - o mesmo processo que faz com que o tom das sirenes soe mais alto ao acelerar em direção a alguém e mais baixo quando se afasta.

O pequeno número de medições necessárias é crucial para a velocidade do cálculo. "É como a diferença entre construir um carro de rua e um carro de corrida, "disse Podestà." Quando você constrói um carro de corrida, você remove tudo o que não é necessário e pressiona para aumentar o desempenho. De forma similar, essas quatro medições fornecem a quantidade mínima de informações para inferir a velocidade do plasma conforme a descarga do plasma evolui. "Na verdade, experimentos anteriores no tokamak antes de sua atualização mostram que quatro medições - cada uma otimizada para coletar a quantidade máxima de luz - são tudo de que os pesquisadores precisam para controlar a rotação do plasma, dadas as restrições internas do NSTX-U.

A medição da velocidade em tempo real não é única. Outros tokamaks, como o Joint European Torus (JET) na Inglaterra e o JT-60U no Japão, têm diagnósticos que medem as velocidades em tempo real, embora a uma taxa de amostragem mais baixa do que no diagnóstico RTV. Podestà e Bell queriam um diagnóstico que desse uma imagem mais completa do perfil de velocidade do plasma. Produzir esse tipo de imagem significava escolher os locais dos quatro pontos de medição com muito cuidado.

"Além disso, "disse Podestà, "Os plasmas em NSTX-U podem evoluir em escalas de tempo que são mais rápidas do que aquelas normalmente observadas em JET ou JT-60U. Portanto, precisávamos medir em taxas de amostragem mais altas para ter uma ideia melhor de como a velocidade muda ao longo do tempo durante uma descarga de plasma. "

Por causa de seus cálculos rápidos, o diagnóstico RTV poderia um dia caber em um sistema maior que permite aos cientistas ajustar o perfil de velocidade de um plasma e otimizar o desempenho do plasma durante as operações de fusão.

PPPL, no campus Forrestal da Universidade de Princeton, em Plainsboro, N.J., dedica-se a criar novos conhecimentos sobre a física dos plasmas - ultra-quente, gases carregados - e para desenvolver soluções práticas para a criação de energia de fusão. O Laboratório é administrado pelo Office of Science da Universidade do Departamento de Energia dos EUA, que é o maior apoiador da pesquisa básica nas ciências físicas nos Estados Unidos, e está trabalhando para enfrentar alguns dos desafios mais urgentes de nosso tempo. Para maiores informações, visite science.energy.gov.