Assim como o fogo produz cinzas, a combinação de elementos leves em reações de fusão pode produzir material que eventualmente interfere nessas mesmas reações. Agora, cientistas do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) encontraram evidências que sugerem que um processo pode remover o material indesejado e tornar os processos de fusão mais eficientes dentro de um tipo de instalação de fusão conhecida como configuração de campo invertido ( Dispositivo FRC).

Em todas as máquinas de fusão, elétrons e núcleos atômicos, ou íons, gire em uma espécie de sopa conhecida como plasma. Durante o processo de fusão proposto para um FRC, os núcleos de deutério e hélio-3, átomos de hidrogênio e hélio com um nêutron cada, combinar e, no processo, liberar grandes quantidades de energia. Os físicos estão atualmente estudando a melhor forma de prender as partículas de combustível dentro de campos magnéticos para maximizar o número de reações de fusão e, ao mesmo tempo, evitar danos às paredes da máquina por partículas energéticas que escapam da garrafa magnética. O objetivo de qualquer experimento de energia de fusão é imitar na Terra o processo de fusão dentro do Sol e das estrelas para produzir energia virtualmente ilimitada.

As máquinas FRC diferem dos tokamaks em forma de rosca e sinuosos, Stellarators semelhantes a cruller, que atualmente são os designs essenciais para instalações de fusão em todo o mundo. Os FRCs confinam o plasma a temperaturas mais altas do que os tokamaks, mas requerem apenas um conjunto de bobinas eletromagnéticas em forma de círculos simples. Além disso, em vez dos recipientes circulares em tokamaks e stellarators, FRCs criam campos que se estendem entre dois terminais que são quase lineares, tornando um dispositivo FRC de baixa potência potencialmente adequado como um motor de foguete movido a fusão para propulsão de espaçonaves.

Recentemente, Contudo, novas pesquisas no PPPL sugeriram que, com o design certo, Os FRCs podem produzir plasmas estáveis. E como a variante PPPL do FRC está prevista para produzir muito menos nêutrons de alta energia do que os tokamaks, esse tipo de reator FRC exigiria menos blindagem para proteger o equipamento interno e circundante.

A pesquisa começou há cinco anos quando o estudante de graduação Matt Chu-Cheong e Samuel Cohen, investigador principal dos experimentos FRC do Laboratório, comecei a pensar sobre como as partículas de cinza criadas em hipotéticos reatores de FRC futuros poderiam ser removidas. Seus cálculos sugeriram que as partículas indesejadas migrariam lentamente para a "camada de raspagem" que conecta o plasma às superfícies materiais do vaso. Entrando e saindo desta região relativamente legal, as partículas perderiam energia e desacelerariam, tanto quanto uma espaçonave pode reduzir a velocidade mergulhando na atmosfera de um planeta. Eventualmente, as partículas perderiam velocidade suficiente para permanecer na camada de raspagem e serem canalizadas para um sistema de exaustão que as removeu do plasma.

As partículas entrariam automaticamente na camada de raspagem por causa de sua alta energia. "Esta é uma maneira bacana de remover produtos de fusão do núcleo e evitar que se acumulem, "disse Evans, um dos principais autores de um artigo na Physics of Plasmas que examinou rigorosamente os processos.

Evans e Cohen temiam, Contudo, que se os elétrons na camada de raspagem fossem muito frios, eles podem não se mover rápido o suficiente para prender os íons e causar sua remoção. "Se os elétrons estão se movendo muito devagar, "Cohen disse, "eles não são capazes de acompanhar os íons rápidos e os íons não têm muita força de arrasto."

Evans formulou uma hipótese e, em seguida, realizou simulações detalhadas em computadores de alto desempenho no National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), um DOE Office of Science User Facility no Lawrence Berkeley National Laboratory. As simulações, que fatorou nos campos magnéticos da máquina FRC hipotética e os efeitos dos elétrons frios, produziram dados sugerindo que as partículas de cinza em um reator FRC seriam removidas do plasma, embora mais lento do que as teorias criadas em 1960 previram. No entanto, a taxa de remoção prevista foi suficiente para exaurir os íons de cinzas e impedi-los de interferir nas reações de fusão em futuros plasmas FRC.

Os resultados foram extremamente encorajadores. "Minha principal reação foi o alívio que as simulações funcionaram, que nossas estimativas anteriores estavam corretas, e que pelo menos nessas simulações não vimos nenhuma razão para que esse processo não funcionasse, "Evans disse." Em outras palavras, até aqui, tão bom."