Dentro de um experimento de fusão, onde os cientistas estudam as reações no coração do nosso sol, interrupções - instabilidades do plasma em grande escala - causam a perda rápida e completa do confinamento magnético. Modelos de plasmas de fusão agora combinam métodos numéricos avançados com recursos de computação de alto desempenho. O resultado? Os cientistas podem explorar as causas e a dinâmica das interrupções com detalhes sem precedentes.

As interrupções representam um dos desafios mais significativos para o projeto de um reator de fusão. Durante esses eventos, correntes elétricas que surgem nas paredes criam forças significativas que podem danificar as paredes do vaso tokamak. Agora, os cientistas podem modelar essas correntes em uma geometria totalmente tridimensional, com parâmetros de plasma realistas. Os resultados podem levar a estratégias que evitam e mitigam interrupções em futuros dispositivos do tamanho de reatores.

O tokamak é um projeto eficiente para confinar plasmas superaquecidos com campos magnéticos porque muito do campo magnético é produzido por correntes elétricas no plasma. Essa vantagem pode se tornar uma desvantagem, porque perturbações na corrente de plasma podem reduzir o campo magnético em um ciclo de auto-reforço, causando rápida perda de confinamento. Além disso, essas interrupções impõem fortes forças eletromagnéticas e cargas de calor, representando um grande desafio para a operação bem-sucedida de um reator tokamak.

Os pesquisadores agora estão realizando simulações totalmente tridimensionais de instabilidades em grande escala nos tokamaks NSTX e DIII-D. Essas simulações usam o código M3D-C1, que modela o plasma como um fluido eletricamente condutor. Novos recursos de alta fidelidade no código mostram as correntes elétricas "halo" que podem levar a interrupções que fluem para dentro e através das paredes do tokamak. E outras simulações de eventos de deslocamento vertical, que muitas vezes causam ou acompanham interrupções, mostram que violentas instabilidades secundárias podem se desenvolver quando o plasma é empurrado contra a parede do vaso.

Essas instabilidades secundárias geralmente levam a uma distribuição tridimensional da corrente de halo, que consiste em componentes simétricos e assimétricos. As correntes assimétricas podem produzir forças que são particularmente prejudiciais ao vaso tokamak. Felizmente, nessas simulações, o componente assimétrico permanece localizado e fortemente subdominante ao componente simétrico, mesmo em casos que exibem uma instabilidade secundária de forte crescimento. As simulações também mostram que o resfriamento do plasma antes ou durante o evento de deslocamento vertical pode suprimir ainda mais as instabilidades que levam à corrente assimétrica. Trabalhos futuros modelarão interrupções iniciadas por outras instabilidades nas quais se espera que a componente assimétrica das correntes do halo seja maior.