Um desafio chave na pesquisa de fusão é manter a estabilidade do quente, plasma carregado que alimenta reações de fusão dentro de instalações em formato de donut chamadas de "tokamaks". Físicos do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE), descobriram recentemente que partículas flutuantes no plasma, que consiste em elétrons livres e núcleos atômicos, pode evitar instabilidades que reduzem a pressão crucial para reações de fusão de alto desempenho dentro dessas instalações.

Fusão, o poder que impulsiona o sol e outras estrelas, é a fusão de elementos leves na forma de plasma que produz grandes quantidades de energia. Os cientistas do PPPL buscam estudar e replicar a fusão aquecendo o plasma a temperaturas superaquecidas dentro de um tokamak e confinando-o sob pressão em espiral, Campos magnéticos. Os físicos usam o termo "beta" para caracterizar como a pressão do calor produzida por um tokamak se compara à pressão do campo magnético usado para conter o plasma.

A pesquisa liderada por Zhirui Wang usou dados do National Spherical Torus Experiment (NSTX), um tokamak esférico no PPPL com o formato de uma maçã sem caroço que produz plasmas beta elevados. Os resultados do estudo explicam como as partículas que flutuam e ricocheteiam nos campos podem estabilizar plasmas de alta pressão e alto desempenho.

Essas partículas ficam presas e saltam para frente e para trás dentro de uma parte limitada dos campos magnéticos, em vez de atravessar toda a sua circunferência ao redor da máquina. As próprias porções podem flutuar na máquina. O salto e a deriva podem dissipar energia que poderia desestabilizar o plasma e interferir nas reações de fusão, os físicos encontraram.

Os pesquisadores primeiro notaram discrepâncias entre os dados NSTX e as previsões de simulação. Modificar o código para levar em consideração as partículas aprisionadas melhorou o acordo ao produzir simulações que sugerem que o plasma permaneceria estável por mais tempo sob alta pressão, como os experimentos NSTX mostraram. "Descobrimos que os tokamaks podem ir para um beta superior porque o plasma será estabilizado por esses efeitos cinéticos, "disse Wang, autor principal de um artigo que descreve os resultados na revista Nuclear Fusion.

Simulações cinéticas aprimoradas também podem levar a melhores previsões e controle de instabilidades de plasma conhecidas como modos localizados na borda (ELMs), que aparecem na borda de plasmas de alto confinamento e ao liberar grandes quantidades de energia para a parede, podem danificar significativamente os componentes voltados para o plasma em um reator de fusão. Melhores previsões permitiriam aos cientistas prever quando um ELM está prestes a ocorrer e ajustar os controles magnéticos para que a instabilidade seja mitigada ou completamente suprimida antes de erodir os materiais que cercam o plasma de fusão.

Os resultados gerais desta pesquisa podem levar a uma melhor obtenção de plasmas de fusão de alto desempenho nos tokamaks atuais e no ITER, a experiência internacional em construção na França para demonstrar a viabilidade da energia de fusão.