Físicos do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) ajudaram a desenvolver um novo modelo de computador de estabilidade de plasma em máquinas de fusão em formato de donut conhecidas como tokamaks. O novo modelo incorpora descobertas recentes obtidas a partir de esforços de pesquisa relacionados e simplifica a física envolvida para que os computadores possam processar o programa mais rapidamente. O modelo pode ajudar os cientistas a prever quando um plasma pode se tornar instável e, em seguida, evitar as condições subjacentes.

Esta pesquisa foi relatada em um artigo publicado em Física dos Plasmas em fevereiro de 2017, e recebeu financiamento do DOE's Office of Science (Fusion Energy Sciences).

O código de estabilidade do plasma foi escrito em parte por Jack Berkery, um cientista pesquisador do Departamento de Física Aplicada e Matemática Aplicada da Universidade de Columbia, associado ao PPPL há quase 10 anos. Ele está trabalhando neste projeto com Steve Sabbagh, um cientista pesquisador sênior e professor adjunto de física aplicada na Columbia, que colaborou com o PPPL por quase três décadas. Berkery e Sabbagh fazem parte do grupo Columbia na PPPL.

A nova pesquisa é a mais recente no esforço combinado dos físicos para desenvolver um programa de computador estabilizador de plasma maior e mais capaz, conhecido como código Disruption Event Characterization and Forecasting (DECAF), que irá prever e ajudar a evitar interrupções.

Dentro de plasmas tokamak, muitas forças se equilibram para criar um equilíbrio estável. Uma força é uma pressão em expansão criada pelas propriedades intrínsecas do plasma - uma sopa de partículas eletricamente carregadas. Outra força é produzida por ímãs que confinam o plasma, evitando que ele toque as paredes internas do tokamak e esfrie.

Os físicos e engenheiros do plasma querem que o plasma esteja sob o máximo de pressão magnética possível, porque a alta pressão significa que as partículas de plasma estão interagindo com mais frequência, aumentando as chances de ocorrerem reações de fusão e a quantidade de calor produzida pelo tokamak. Pesquisas anteriores de Berkery e Sabbagh em máquinas, incluindo o National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U) no PPPL, mostraram que a alta pressão do plasma pode ser contida de forma estável se outras propriedades do plasma, como a maneira como ele gira, têm características particulares.

"Idealmente, você deseja operar tokamaks em alta pressão porque para obter um bom desempenho de fusão, você quer ter a maior pressão possível, "Berkery continuou." Infelizmente, quando você faz isso, podem surgir instabilidades. Então, se você puder encontrar uma maneira de estabilizar o plasma, então você pode operar seu tokamak com uma pressão mais alta. "

O programa atualizado foi escrito para prever as condições que melhor conteriam o plasma de alta pressão. O programa, no entanto, é apenas um componente do código DECAF, que inclui muitos módulos, cada um monitorando diferentes aspectos de um plasma em um esforço para determinar quando o plasma está se tornando instável. "Por anos, estamos investigando quais condições levam à instabilidade e como podemos tentar evitar essas condições, "Berkery disse.

O código reúne informações que incluem a densidade do plasma, temperatura, e a forma de rotação do plasma. Em seguida, calcula quais combinações dessas condições produzem um plasma estável, descobrir simultaneamente quais combinações de condições produzem um plasma instável. O novo código procura especificamente por sinais de um estado instável próximo, conhecido como modo de parede resistiva. Um plasma entra neste estado quando as forças que fazem com que o plasma se expanda são mais fortes do que as forças que o confinam. Os campos magnéticos intrínsecos do plasma se expandem para fora e atingem o interior das paredes do tokamak.