Um grande problema que o ITER enfrenta, o tokamak internacional em construção na França que será o primeiro dispositivo de fusão magnética a produzir energia líquida, é se as placas de desvio cruciais que irão exaurir o calor residual do dispositivo podem suportar o alto fluxo de calor, ou carregar, isso vai atingi-los. As projeções alarmantes extrapoladas de tokamaks existentes sugerem que o fluxo de calor poderia ser tão estreito e concentrado a ponto de danificar as placas de divertor de tungstênio nos sete andares, 23, Tokamak de 000 toneladas e requerem reparos frequentes e caros. Este fluxo pode ser comparável à carga de calor experimentada por espaçonaves reentrando na atmosfera da Terra.

As novas descobertas de uma equipe internacional liderada pelo físico C.S. Chang do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) pintam um quadro mais positivo. Resultados da colaboração, que passou dois anos simulando o fluxo de calor, indicam que a largura pode estar bem dentro da capacidade tolerada pelas placas do divertor.

Boas notícias para ITER

"Esta pode ser uma notícia muito boa para o ITER, "Chang disse sobre as descobertas, publicado em agosto na revista Fusão nuclear . "Isso indica que o ITER pode produzir 10 vezes mais energia do que consome, como planejado, sem danificar as placas do divertor prematuramente. "

No ITER, porta-voz Laban Coblentz, disse que as simulações eram de grande interesse e altamente relevantes para o projeto ITER. Ele disse que o ITER gostaria de ver um benchmarking experimental, realizada, por exemplo, pelo Joint European Torus (JET) no Culham Center for Fusion Energy no Reino Unido, para fortalecer a confiança nos resultados da simulação.

A equipe de Chang usou o código de simulação de computador de turbulência de plasma XGC1 altamente sofisticado desenvolvido na PPPL para criar a nova estimativa. A simulação projetou uma largura de 6 milímetros para o fluxo de calor no ITER quando medido de forma padronizada entre tokamaks, muito maior do que a largura inferior a 1 milímetro projetada por meio do uso de dados experimentais.

Derivando projeções de largura estreita de dados experimentais, estavam pesquisadores em grandes instalações em todo o mundo. Nos Estados Unidos, esses tokamaks eram o National Spherical Torus Experiment antes de sua atualização no PPPL; a instalação do Alcator C-Mod no MIT, que encerrou as operações no final de 2016; e o DIII-D National Fusion Facility que a General Atomics opera para o DOE em San Diego.

Condições amplamente diferentes

A discrepância entre as projeções experimentais e as previsões de simulação, disse Chang, decorre do fato de que as condições dentro do ITER serão muito diferentes daquelas nos tokamaks existentes para que as previsões empíricas sejam válidas. As principais diferenças incluem o comportamento das partículas de plasma nas máquinas atuais em comparação com o comportamento esperado das partículas no ITER. Por exemplo, enquanto os íons contribuem significativamente para a largura de calor nas três máquinas dos EUA, elétrons turbulentos terão um papel maior no ITER, tornando as extrapolações não confiáveis.

A equipe de Chang usou princípios básicos da física, em vez de projeções empíricas com base nos dados de máquinas existentes, para derivar a previsão mais ampla simulada. A equipe testou primeiro se o código poderia prever a largura do fluxo de calor produzido em experimentos nos tokamaks dos EUA, e considerou as previsões válidas.

Os pesquisadores então usaram o código para projetar a largura do fluxo de calor em um modelo estimado de plasma de borda ITER. A simulação previu a maior largura de fluxo de calor que será sustentável dentro do projeto ITER atual.

Supercomputadores habilitados para simulação

Supercomputadores tornaram essa simulação possível. Validar o código nos tokamaks existentes e produzir as descobertas levou cerca de 300 milhões de horas centrais no Titan e Cori, dois dos mais poderosos supercomputadores dos EUA, alojados no Oak Ridge Leadership Computing Facility do DOE e no National Energy Research Scientific Computing Center, respectivamente. Uma hora central é um processador, ou núcleo, correndo por uma hora.