Como um oleiro moldando argila enquanto gira em uma roda, os físicos usam campos magnéticos e poderosos feixes de partículas para controlar e moldar o plasma conforme ele gira e gira por meio de um dispositivo de fusão. Agora, um físico criou um novo sistema que permitirá aos cientistas controlar a energia e a rotação do plasma em tempo real em uma máquina em forma de donut conhecida como tokamak.

"Ao projetar máquinas de fusão, está se tornando cada vez mais importante usar sistemas de controle e técnicas de modelagem tiradas do mundo da engenharia aeronáutica, "disse Imène Goumiri, o cientista que liderou o trabalho. "A novidade é que essas ferramentas agora foram aplicadas a problemas de física de plasma; isso é o que torna esta pesquisa única." Goumiri era um aluno de doutorado da Universidade de Princeton que conduziu pesquisas no Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e agora é físico na Universidade de Wisconsin-Madison.

O sistema de Goumiri, conhecido como controlador de feedback, inclui sensores dentro do tokamak que estão vinculados a um algoritmo de computador que interpreta os dados coletados pelos sensores. O algoritmo aciona seis feixes de partículas neutras que aquecem e giram o plasma dentro do tokamak e aciona seis bobinas magnéticas retangulares situadas ao redor do exterior da máquina. "Esta é a primeira vez que esses dois atuadores foram usados ​​juntos para controlar o perfil de rotação do plasma, "disse Steven Sabbagh, um cientista pesquisador sênior e professor adjunto de física aplicada na Universidade de Columbia, que colaborou com o PPPL por 27 anos e foi um dos co-autores do artigo.

Ao controlar a rotação, os físicos podem evitar que as instabilidades degradem o campo magnético e permitam que o plasma se dissipe, desligando as reações de fusão.

Os pesquisadores desenvolveram o algoritmo para o National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U), que possui um sistema de feixe neutro aprimorado que afeta a rotação do plasma colidindo com as partículas carregadas do plasma e transferindo o momento. O sistema possui dois emissores com três fontes de feixe neutro cada. Um emissor tem como alvo o núcleo do plasma, enquanto o outro tem como alvo a borda para exercer influência sobre o plasma como um todo. Um sistema de ímã flexível permite que os físicos controlem ainda mais a distribuição da rotação do plasma. Em geral, o algoritmo usa as bobinas magnéticas e os emissores de feixe neutro em diferentes combinações para alterar como as diferentes regiões do plasma giram.

O algoritmo também equilibra os efeitos dos ímãs e dos feixes neutros para garantir que o plasma geral não se mova bruscamente de uma velocidade para outra. O objetivo é atingir uma determinada quantidade de calor de plasma, ou energia armazenada, junto com a rotação de plasma desejada - uma inovação que faltava em uma versão anterior do algoritmo.

Goumiri e a equipe testaram o novo algoritmo do controlador em um tokamak simulado criado pelo código de computador TRANSP, um programa projetado por PPPL usado em pesquisas de fusão magnética em todo o mundo. O teste mostrou que o algoritmo pode modificar com sucesso o perfil de rotação do plasma e a energia armazenada de forma a aumentar a estabilidade do plasma.

No futuro, Goumiri espera testar seu algoritmo de controlador no NSTX-U. Uma vez em operação, as lições que os físicos aprendem com o uso do algoritmo podem influenciar o projeto de futuros reatores de fusão. Esses reatores terão mais de um algoritmo para controlar a rotação do plasma, corrente elétrica, e a forma do plasma. Pesquisas futuras precisarão se concentrar em como todos os controladores operam juntos e projetar um sistema global que permitirá que os controladores operem harmoniosamente.

Esta pesquisa foi publicada em fevereiro de 2017 na versão online do Física dos Plasmas e foi financiado pelo DOE's Office of Science (Fusion Energy Sciences).