Os cientistas que buscam trazer a fusão - o poder que impulsiona o sol e as estrelas - para a Terra devem primeiro tornar o estado da matéria chamado plasma superquente o suficiente para sustentar as reações de fusão. Isso exige o aquecimento do plasma a muitas vezes a temperatura do centro do sol. No ITER, a instalação de fusão internacional sendo construída na França para demonstrar a viabilidade da energia de fusão, o dispositivo vai aquecer os elétrons livres e os núcleos atômicos - ou íons - que compõem o plasma. A questão é, o que essa mistura de aquecimento fará com a temperatura e a densidade do plasma, que são cruciais para a produção da fusão?

Uma nova pesquisa indica que a compreensão do aquecimento combinado mostra como poderíamos melhorar a produção de fusão no ITER e outras instalações de fusão de próxima geração - uma descoberta importante de físicos do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE), a DIII-D National Fusion Facility que a General Atomics opera para o DOE, e outros colaboradores. "Isso mostra o que acontece quando o aquecimento de elétrons é adicionado ao aquecimento de íons, "disse o físico do PPPL Brian Grierson, que conduziu o teste de um modelo de computador que projetou os resultados do DIII-D para o ITER.

O modelo, criado por Gary Staebler da General Atomics e relatado em um artigo em Física dos Plasmas com Grierson como primeiro autor, investigou os resultados experimentais do DIII-D em condições que imitam as esperadas no ITER. Diagnósticos fornecidos pela University of Wisconsin-Madison e pela University of California, Los Angeles mediu a turbulência resultante, ou flutuações aleatórias e redemoinhos, que ocorreu no plasma.

Turbulência multiescala

As medições revelaram turbulência com comprimentos de onda de curto a longo causados ​​pelo aquecimento de elétrons e íons, respectivamente. A combinação produziu turbulência "multiescala" que modificou a maneira como as partículas e o calor vazam do plasma. A turbulência pode reduzir a taxa de reações de fusão.

O aquecimento combinado de elétrons e íons alterou o gradiente, ou taxa espacial de mudança na densidade do plasma. Essa descoberta foi significativa porque o poder de fusão que o ITER e outros tokamaks de próxima geração produzem aumentará conforme a densidade aumenta. Além disso, o aumento ocorreu sem causar o acúmulo de impurezas no núcleo do plasma e resfriá-lo, o que poderia interromper as reações de fusão.

Os cientistas usaram um modelo de "física reduzida" chamado TGLF que simplificou as simulações massivamente paralelas e caras de turbulência multiescala que requerem milhões de horas de computação em supercomputadores. Os pesquisadores executaram esta versão simplificada centenas de vezes em computadores PPPL para testar o impacto sobre o modelo de incertezas decorrentes dos experimentos DIII-D.

"O modelo TGLF explora as propriedades de turbulência fraca de tokamaks como ITER, "disse Staebler." Ele calcula aproximadamente o transporte de plasma bilhões de vezes mais rápido do que uma simulação de turbulência multiescalar giroquinética executada em supercomputadores de alto desempenho. "

Impacto do aquecimento de elétrons

O modelo olhou especificamente para o impacto do aquecimento de elétrons na mistura geral de aquecimento. Os pesquisadores produzem tal aquecimento apontando microondas para os elétrons girando em torno das linhas do campo magnético - um processo que aumenta a energia térmica dos elétrons, transfere para os íons por meio de colisões, e complementa o aquecimento dos íons por injeção de feixe neutro.

Os resultados indicaram que estudar a turbulência multiescala será essencial para entender como lidar com o efeito multiescala no transporte de calor, partículas e momento em tokamaks de próxima geração, ou dispositivos de fusão, Grierson observou. "Precisamos entender o transporte sob aquecimento de íons e elétrons para projetar com segurança os reatores futuros, " ele disse, "porque as usinas de fusão terão os dois tipos de aquecimento."