Fusão, o poder que impulsiona o sol e as estrelas, produz grandes quantidades de energia. Os cientistas aqui na Terra procuram replicar este processo, que mescla elementos leves na forma de quente, plasma carregado composto de elétrons livres e núcleos atômicos, para criar um suprimento virtualmente inesgotável de energia para gerar eletricidade no que pode ser chamado de "estrela em uma jarra".

Um quebra-cabeça de longa data no esforço de capturar o poder da fusão na Terra é como diminuir ou eliminar uma instabilidade comum que ocorre no plasma chamada modos localizados de borda (ELMs). Assim como o sol libera enormes explosões de energia na forma de explosões solares, assim, rajadas de ELMs semelhantes a chamas podem atingir as paredes de tokamaks em formato de donut que abrigam as reações de fusão, potencialmente danificando as paredes do reator.

Ondulações controlam novas explosões

Para controlar essas explosões, os cientistas perturbam o plasma com pequenas ondulações magnéticas chamadas perturbações magnéticas ressonantes (RMPs) que distorcem o liso, forma de rosca do plasma - liberando o excesso de pressão que diminui ou impede a ocorrência de ELMs. A parte difícil é produzir a quantidade certa dessa distorção 3-D para eliminar os ELMs sem acionar outras instabilidades e liberar muita energia que, no pior caso, pode levar a uma grande interrupção que interrompe o plasma.

O que torna a tarefa excepcionalmente difícil é o fato de que um número virtualmente ilimitado de distorções magnéticas pode ser aplicado ao plasma, fazendo com que encontrar precisamente o tipo certo de distorção seja um desafio extraordinário. Mas não mais.

Físico Jong-Kyu Park, do Departamento de Energia dos EUA (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), trabalhando com uma equipe de colaboradores dos Estados Unidos e do National Fusion Research Institute (NFRI) na Coréia, previram com sucesso todo o conjunto de distorções 3D benéficas para controlar ELMs sem criar mais problemas. Os pesquisadores validaram essas previsões na instalação de Pesquisa Avançada de Tokamak Supercondutor Coreano (KSTAR), um dos tokamaks supercondutores mais avançados do mundo, localizado em Daejeon, Coreia do Sul.

KSTAR ideal para testes

O KSTAR era ideal para testar as previsões por causa de seus controles magnéticos avançados para gerar distorções precisas no quase perfeito, simetria em forma de donut do plasma. Identificando as distorções mais benéficas, que equivalem a menos de um por cento de todas as distorções possíveis que poderiam ser produzidas dentro do KSTAR, teria sido virtualmente impossível sem o modelo preditivo desenvolvido pela equipe de pesquisa.

O resultado foi uma conquista que abriu um precedente. "Nós mostramos pela primeira vez a janela de operação de campo 3D completa em um tokamak para suprimir ELMs sem despertar instabilidades centrais ou confinamento excessivamente degradante, "disse Park, cujo artigo - escrito com 14 co-autores dos Estados Unidos e Coreia do Sul - foi publicado em Física da Natureza . "Por muito tempo pensamos que seria computacionalmente difícil identificar todos os campos de quebra de simetria benéficos, mas nosso trabalho agora demonstra um procedimento simples para identificar o conjunto de todas essas configurações. "

Os pesquisadores reduziram a complexidade dos cálculos quando perceberam que o número de maneiras que o plasma pode distorcer é, na verdade, muito menor do que a gama de campos 3-D possíveis que podem ser aplicados ao plasma. Trabalhando para trás, de distorções a campos 3-D, os autores calcularam os campos mais eficazes para eliminar ELMs. Os experimentos do KSTAR confirmaram as previsões com notável precisão.

As descobertas fornecem uma nova confiança

As descobertas no KSTAR fornecem uma nova confiança na capacidade de prever campos 3-D ideais para ITER, o tokamak internacional em construção na França, que planeja empregar ímãs especiais para produzir distorções 3-D para controlar ELMs. Esse controle será vital para o ITER, cujo objetivo é produzir 10 vezes mais energia do que o necessário para aquecer o plasma. Disse os autores do artigo, "o método e o princípio adotados neste estudo podem melhorar substancialmente a eficiência e fidelidade do complicado processo de otimização 3-D em tokamaks."