Uma questão fundamental para os reatores de fusão de próxima geração é o possível impacto de muitos modos próprios Alfvén instáveis, distúrbios em forma de onda produzidos pelas reações de fusão que se propagam através do plasma em instalações de fusão em formato de donut chamadas de "tokamaks". Combustível deutério e trítio reagem quando aquecido a temperaturas próximas a 100 milhões de graus Celsius, produzindo íons de hélio de alta energia chamados partículas alfa que aquecem o plasma e sustentam as reações de fusão.

Essas partículas alfa são ainda mais quentes do que o combustível e têm tanta energia que podem conduzir os modos próprios de Alfvén, que permitem que as partículas escapem da câmara de reação antes que possam aquecer o plasma. Compreender essas ondas e como elas ajudam a escapar das partículas alfa é um tópico-chave de pesquisa na ciência da fusão.

Se apenas uma ou duas dessas ondas são excitadas na câmara de reação, o efeito sobre as partículas alfa e sua capacidade de aquecer o combustível é limitado. Contudo, os teóricos previram há algum tempo que, se muitas dessas ondas forem excitadas, eles podem lançar coletivamente muitas partículas alfa, colocando em perigo as paredes da câmara do reator e o aquecimento eficiente do combustível.

Experimentos recentes realizados no DIII-D National Fusion Facility, que a General Atomics opera para o Departamento de Energia dos EUA (DOE) em San Diego, revelaram evidências que confirmam essas previsões teóricas. Perdas de até 40 por cento das partículas de alta energia são observadas em experimentos quando muitas ondas de Alfvén são excitadas por íons de feixe de deutério usados ​​para simular partículas alfa e íons de feixe de alta energia em um reator de fusão como o ITER, que agora está em construção no sul da França.

Na esteira desta pesquisa, físicos do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do DOE produziram um modelo quantitativamente preciso do impacto dessas ondas Alfvén em feixes de deutério de alta energia no tokamak DIII-D. Eles usaram códigos de simulação chamados NOVA e ORBIT para prever quais ondas de Alfvén seriam excitadas e seus efeitos no confinamento das partículas de alta energia.

Os pesquisadores confirmaram a previsão da modelagem NOVA de que mais de 10 ondas Alfvén instáveis ​​podem ser excitadas pelos feixes de deutério no experimento DIII-D. Além disso, em concordância quantitativa com os resultados experimentais, a modelagem previu que até 40 por cento das partículas energéticas seriam perdidas. A modelagem demonstrada pela primeira vez, neste tipo de plasma de alto desempenho, que previsões quantitativamente precisas podem ser feitas para o efeito de várias ondas Alfvén no confinamento de partículas energéticas no tokamak DIII-D.

"Nossa equipe confirmou que podemos prever quantitativamente as condições em que as partículas alfa de fusão podem ser perdidas do plasma com base nos resultados obtidos na modelagem dos experimentos DIII-D", disse Gerrit Kramer, um físico pesquisador do PPPL e autor principal de um artigo que descreve os resultados da modelagem na edição de maio da revista Fusão nuclear .

As descobertas conjuntas marcaram um avanço potencialmente grande na compreensão do processo. "Esses resultados mostram que agora temos um forte entendimento das ondas individuais excitadas pelas partículas energéticas e como essas ondas trabalham juntas para expelir partículas energéticas do plasma, "disse o físico Raffi Nazikian, chefe do Departamento de ITER e Tokamaks do PPPL e líder da colaboração do laboratório com DIII-D.

O modelo NOVA + ORBIT indicou ainda que certas condições de plasma poderiam reduzir drasticamente o número de ondas Alfvén e, portanto, diminuir as perdas de partículas energéticas. Essas ondas e as perdas que elas produzem poderiam ser minimizadas se o perfil da corrente elétrica no centro do plasma pudesse ser ampliado, de acordo com a análise apresentada no artigo científico.

Os experimentos para testar essas idéias para reduzir as perdas de partículas energéticas serão conduzidos em uma campanha de pesquisa seguinte em DIII-D. "Novas atualizações para a instalação DIII-D permitirão a exploração de melhores condições de plasma, "Nazikian disse." Novos experimentos são propostos para acessar as condições previstas pela teoria para reduzir as perdas de partículas energéticas, com implicações importantes para o projeto ideal de reatores futuros. "