Pesquisadores do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e da General Atomics simularam um misterioso fluxo auto-organizado do plasma superquente que alimenta as reações de fusão. As descobertas mostram que bombear mais calor para o núcleo do plasma pode gerar instabilidades que criam a rotação do plasma dentro do tokamak em forma de donut que abriga o gás quente carregado. Esta rotação pode ser usada para melhorar a estabilidade e o desempenho dos dispositivos de fusão.

Os resultados, relatado em janeiro no jornal Cartas de revisão física , usar as primeiras simulações de turbulência de plasma baseadas em princípios de experimentos realizados no DIII-D National Fusion Facility que a General Atomics opera para o DOE em San Diego. As descobertas podem levar a um melhor controle das reações de fusão no ITER, a experiência internacional em construção na França para demonstrar a viabilidade da energia de fusão. O apoio para esta pesquisa vem do DOE Office of Science com simulações realizadas no National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), um DOE Office of Science User Facility no Lawrence Berkeley National Laboratory.

Feixes de alta energia

Para aumentar a estabilidade e confinamento do plasma, um gás composto de elétrons e íons que é frequentemente chamado de quarto estado da matéria, os físicos tradicionalmente injetam feixes de átomos neutros de alta energia. Esses feixes energéticos fazem com que o núcleo e a região externa do plasma girem em velocidades diferentes, criando um fluxo fragmentado, ou rotação, que melhora a estabilidade e confinamento. Um mistério persistente é como o plasma às vezes gera seu próprio fluxo fragmentado, espontaneamente.

A nova pesquisa, liderado pelos físicos do PPPL Brian Grierson e Weixing Wang, mostra que o aquecimento suficiente do núcleo do plasma gera um tipo especial de turbulência que produz um torque intrínseco, ou força de torção, que faz com que o plasma gere seu próprio fluxo fragmentado. As descobertas são relevantes para grandes, reatores futuros, já que a injeção de feixe neutro criará apenas uma rotação limitada nos enormes plasmas dentro de tais instalações.

Plasmas auto-organizáveis

A pesquisa colaborativa de cientistas do PPPL e da General Atomics descobriu que os plasmas podem se organizar para produzir rotação fragmentada quando o calor é adicionado da maneira certa. O processo funciona assim:

• O aquecimento do núcleo do plasma produz turbulência que flutua em intensidade ao longo do raio do gás.
• As flutuações geram uma "tensão residual" que atua como um torque que faz com que as partes interna e externa do plasma girem opostas uma à outra em velocidades diferentes.
• As diferentes velocidades de rotação representam um equilíbrio entre o torque produzido pela turbulência e a viscosidade do plasma, o que impede que o gás gire arbitrariamente rápido.

Os pesquisadores usaram o código GTS para simular a física do transporte turbulento de plasma, modelando o comportamento das partículas de plasma à medida que circulavam por campos magnéticos. A simulação previu o perfil de rotação modelando o torque intrínseco da turbulência e a difusão de seu momento. A rotação prevista concordou muito bem, em forma e magnitude, com a rotação observada em experimentos DIII-D.

Um próximo desafio importante será extrapolar os processos para o ITER. Tal modelagem exigirá simulações massivas que irão ultrapassar os limites dos supercomputadores de alto desempenho atualmente disponíveis. "Com experimentos cuidadosos e simulações detalhadas de física fundamental, estamos começando a entender como o plasma cria sua própria rotação cortada, "disse Grierson." Este é um passo fundamental ao longo do caminho para otimizar o fluxo de plasma para tornar os plasmas de fusão mais estáveis, e operar com alta eficiência. "