Partículas de alta energia LHD circulam dentro de um plasma que tem a forma de um donut torcido, e eles causam oscilações no plasma. Em particular, quando o período da circulação e o da oscilação do plasma coincidem, a amplitude da oscilação aumenta. Crédito:Dr. Yasushi Todo
O National Institute for Fusion Science desenvolveu um novo código que pode simular o movimento do plasma e, simultaneamente, o movimento das partículas circulando em altas velocidades. No reator de fusão japonês denominado Large Helical Device (LHD), pesquisadores investigaram oscilações plasmáticas induzidas por partículas de alta energia. Novos resultados de pesquisa, junto com os dados obtidos a partir de experimentos LHD, esclareceram os detalhes das oscilações que não podem ser medidas por experimentos e a interação de partículas de alta energia e suas oscilações.
Partículas alfa de alta energia (íons de hélio), gerado por reações de fusão usando deutério e trítio, aquecer o plasma e manter as condições de alta temperatura necessárias para a reação de fusão. A previsão de seu comportamento e seu controle são as chaves para manter a reação de fusão. Por outro lado, plasma também é um fluido que conduz eletricidade. E porque o fluxo de corrente elétrica produz um campo magnético, isso é chamado de magnetofluido, ou fluido magneto-hidrodinâmico.
Plasmas que são magnetofluidos oscilam. Quando o período de oscilação e o período de partículas alfa de alta energia circulando dentro de um plasma coincidem, existe a possibilidade de que a amplitude de oscilação aumente devido à ressonância. Como resultado, porque as partículas alfa de alta energia escapam do plasma, existe a preocupação de que o desempenho do reator de fusão seja degradado. A fim de realizar a geração de eletricidade de fusão, é imperativo fazer previsões altamente confiáveis sobre a distribuição de partículas de alta energia que incorporam a interação do plasma com as oscilações.
O grupo de pesquisa liderado pelo professor Yasushi Todo e o professor assistente Hao Wang do Instituto Nacional de Ciência de Fusão (NIFS) desenvolveu um programa que pode simular o comportamento do plasma e os movimentos de partículas de alta energia (o programa é chamado de "simulação híbrida" porque conecta fluidos e partículas). Agora é possível simular a interação entre a oscilação do plasma e partículas de alta energia, o que não era possível por métodos anteriores que calculavam o plasma e as partículas de alta energia separadamente.
Usando este programa de simulação híbrida em supercomputadores - simulador de plasma NIFS e Helios, do International Fusion Energy Research Center - os pesquisadores realizaram uma simulação em grande escala do plasma LHD. Nos experimentos LHD, eles conduziram pesquisas sobre partículas de alta energia e oscilações de plasma usando partículas de alta energia geradas por injeção de feixe neutro (ver Fig. 1). Nos resultados da simulação mostrados na Figura 2, juntamente com os dados experimentais para oscilações de plasma que são causadas pelas partículas de alta energia, eles esclareceram os detalhes das oscilações que não podem ser medidas por experimento, bem como a interação de partículas de alta energia que causam a amplificação da oscilação.
Este programa de simulação híbrida é apropriado não apenas para o LHD, mas também para experimentos de plasma de fusão no Japão e no exterior. Ao comparar os resultados experimentais em relação à distribuição de partículas de alta energia e oscilações, a confiabilidade do programa foi confirmada. Ao reproduzir com sucesso o experimento LHD, os pesquisadores produziram o primeiro programa que pode simular partículas de alta energia e oscilações de plasma.
O comportamento das oscilações causadas por partículas de alta energia circulando dentro de um plasma LHD obtido a partir de uma simulação. Na seção transversal do donut, incremento e decremento devido às oscilações são mostrados em vermelho e em azul, respectivamente, para a velocidade do plasma (esquerda) e a pressão (direita). Crédito:Dr. Yasushi Todo
O resultado da pesquisa foi anunciado na 26ª conferência da Agência Internacional de Energia Atômica, realizada de 17 a 22 de outubro em Kyoto, Japão.
Usando o Programa de Simulação Híbrida desenvolvido pelo National Institute for Fusion Science, a precisão da previsão da distribuição de partículas alfa de alta energia no plasma do núcleo do reator de fusão melhorou significativamente. Isso contribuirá para o desenvolvimento de um cenário de operação altamente confiável e projeto de reatores de fusão, e poderia acelerar a obtenção de um reator de fusão. Além disso, o trabalho contribui para o entendimento das interações de partículas de alta energia e oscilações. Embora as oscilações do plasma causem a perda de partículas de alta energia que aquecem o plasma, as oscilações, fornecendo plasma com energia recebida de partículas de alta energia, reciprocamente aquece o plasma.
