Décadas de pesquisa de fusão trouxeram muitos avanços em nossa compreensão da física do plasma, o gás ionizado quente no coração de um reator de fusão. Enquanto muitas perguntas estão sendo respondidas, desafios importantes permanecem.

Leva, por exemplo, turbulência. É geralmente aceito que o transporte turbulento de partículas, energia e momento em um reator tokamak desempenham um papel fundamental na determinação do nível de confinamento e desempenho do reator. Mas uma compreensão completa da turbulência do plasma e do mecanismo de transporte - e a capacidade de prever cada um com precisão - é um pouco mais elusivo.

Em uma reação de fusão, a energia é liberada quando dois isótopos de hidrogênio são fundidos para formar um núcleo mais pesado, hélio e um nêutron livre altamente energético. Para atingir taxas de reação altas o suficiente para tornar a fusão uma fonte de energia útil, o hidrogênio contido no núcleo do reator deve ser aquecido a temperaturas extremamente altas - mais de 100 milhões de graus Celsius - que o transforma em plasma quente. Em certos reatores, fortes campos magnéticos são então usados ​​para "conter" o plasma e impedi-lo de tocar as paredes dos vasos, um processo conhecido como confinamento magnético.

Portanto, há muita coisa acontecendo dentro do plasma enquanto ele se aquece. Impulsionado por forças elétricas e magnéticas, partículas carregadas giram em torno e colidem umas com as outras, e a temperatura central e a densidade estão em constante evolução. Além disso, as instabilidades do plasma - também conhecidas como turbulência - interrompem a capacidade do reator de produzir energia sustentável, aumentando a taxa de perda de calor.

Felizmente, novas simulações de supercomputadores estão tornando mais fácil prever com mais precisão os principais aspectos do comportamento do plasma. Uma equipe de físicos da Universidade da Califórnia em San Diego (UCSD), O Centro de Ciência e Fusão de Plasma do MIT e o Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) executaram uma série de simulações giroquinéticas multiescala no Centro Nacional de Pesquisa Científica de Pesquisa Energética (NERSC) do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley para determinar se o transporte de energia de elétrons em uma descarga de plasma tokamak é multiescala por natureza . Ser capaz de prever com precisão o transporte de energia de elétrons é fundamental para prever o desempenho em reatores futuros, como ITER, atualmente em construção em Cadarache, França.

"Em um reator de fusão, a maior parte do calor gerado no plasma será transportado pelos elétrons, "disse Chris Holland, um cientista pesquisador no Centro de Pesquisa de Energia da UCSD e autor principal em um estudo recente em Fusão nuclear descrevendo este trabalho. Este estudo se baseia em pesquisas anteriores de Holland e colegas do MIT e da General Atomics, nas quais eles usaram simulações multiescala para estudar mais precisamente as instabilidades de turbulência que causam a perda de calor do plasma.

Essas últimas simulações, que foram realizados com o código de turbulência de plasma giroscinético GYRO e usaram quase 70 milhões de horas de computação no sistema Edison da NERSC, correspondeu às condições medidas em uma corrida de plasma no reator tokamak DIII-D usando o cenário de linha de base ITER. O tokamak DIII-D, localizado na General Atomics, tem sido usado desde a década de 1980 para desenvolver as técnicas necessárias para operar o ITER e estudar seu impacto no desempenho do reator.

Depois de examinar as novas simulações multiescala, a equipe de pesquisa descobriu que o transporte de energia de elétrons nesses plasmas parece ter um forte caráter multiescala - a primeira dessas evidências da natureza multiescala do transporte de elétrons para condições como as esperadas no ITER. As simulações mostraram que, para essas condições, o transporte de elétrons ocorrerá em uma gama muito maior de escalas (daí o termo "multiescala") do que em muitos experimentos anteriores, e que há fortes acoplamentos não lineares entre as diferentes escalas que as simulações anteriores não puderam resolver.

Esses resultados estendem ainda mais nosso conhecimento do que está ocorrendo dentro dos experimentos de pesquisa de tokamak atuais e em reatores experimentais futuros, como ITER, que deve melhorar o design do reator. Além disso, as novas simulações podem ser usadas como uma ferramenta preditiva direta por pesquisadores de energia de fusão para encapsular a física do plasma em um reator de fusão e produzir modelos reduzidos para projetar reatores futuros, Holland notou.

"É vital fazer esses tipos de simulações para identificar quais fenômenos esperar em um futuro reator e como ele pode ser diferente dos experimentos atuais, "disse ele." Mas se você quiser fazer uma previsão real de como um experimento como o ITER vai se comportar, você teria que fazer dezenas ou centenas dessas simulações, o que certamente está além do que podemos fazer agora. Portanto, é importante não apenas fazer essas simulações, mas usá-las para entender a física, produzir modelos que são mais eficientes do ponto de vista computacional e fazer previsões de simulação de dispositivos inteiros integrados. "