Os cientistas que buscam trazer a reação de fusão que alimenta o Sol e as estrelas para a Terra devem manter o plasma superaquecido livre de interrupções. Agora, pesquisadores do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) descobriram um processo que pode ajudar a controlar as interrupções consideradas mais perigosas.

Replicando a fusão, que libera energia ilimitada fundindo núcleos atômicos no estado da matéria conhecido como plasma, poderia produzir energia limpa e virtualmente ilimitada para gerar eletricidade para cidades e indústrias em todos os lugares. Capturar e controlar a energia de fusão é, portanto, um desafio científico e de engenharia chave para pesquisadores em todo o mundo.

Criação de ilhas magnéticas

A descoberta PPPL, relatado em Cartas de revisão física , concentra-se nos chamados modos de rasgo - instabilidades no plasma que criam ilhas magnéticas, uma fonte chave de rupturas de plasma. Essas ilhas, estruturas semelhantes a bolhas que se formam no plasma, pode crescer e desencadear eventos disruptivos que interrompem as reações de fusão e danificam as instalações em formato de donut, chamadas de "tokamaks", que abrigam as reações.

Os pesquisadores descobriram na década de 1980 que o uso de ondas de radiofrequência (RF) para direcionar a corrente no plasma poderia estabilizar os modos de ruptura e reduzir o risco de interrupções. Contudo, os pesquisadores não perceberam que pequenas mudanças - ou perturbações - na temperatura do plasma poderiam melhorar o processo de estabilização, uma vez que um limite de chave em potência é excedido. O mecanismo físico que o PPPL identificou funciona assim:

• As perturbações de temperatura afetam a força do acionamento atual e a quantidade de potência de RF depositada nas ilhas.
• As perturbações e seu impacto na deposição de feedback de potência uns contra os outros de maneira complexa - ou não linear.
• Quando o feedback se combina com a sensibilidade da unidade atual às perturbações de temperatura, a eficiência do processo de estabilização aumenta.
• Além disso, a estabilização aprimorada tem menos probabilidade de ser afetada por drives de corrente desalinhados que falham em atingir o centro da ilha.

O impacto geral deste processo cria o que é tecnicamente chamado de "condensação de corrente de RF, "ou concentração de potência de RF dentro da ilha que a impede de crescer." A deposição de potência é bastante aumentada, "disse Allan Reiman, um físico teórico do PPPL e autor principal do artigo. "Quando a deposição de energia na ilha excede um nível limite, há um salto de temperatura que fortalece muito o efeito estabilizador. Isso permite a estabilização de ilhas maiores do que se pensava ser possível. "

Benéfico para o ITER

Este processo pode ser particularmente benéfico para o ITER, o tokamak internacional em construção na França para demonstrar a viabilidade da energia de fusão. “Existe a preocupação de que as ilhas se tornem grandes e causem interrupções no ITER, "Reiman disse." Juntos, esses novos efeitos devem facilitar a estabilização dos plasmas ITER. "

Reiman trabalhou com o professor Nat Fisch, diretor associado para assuntos acadêmicos do PPPL e co-autor do relatório. Fisch demonstrou em um artigo histórico da década de 1970 que as ondas de RF podem ser usadas para impulsionar correntes para confinar plasmas tokamak por meio de um processo agora chamado de "impulso de corrente de RF".

Fisch aponta como "foi o trabalho inovador de Reiman em 1983 que previu que essas correntes de RF também poderiam estabilizar os modos de tearing. O uso da unidade de corrente RF para estabilizar os modos de tearing foi talvez ainda mais crucial para o programa tokamak do que usar essas correntes para confinar o plasma, "Fisch disse.

"Portanto, " ele disse, "O artigo de Reiman de 1983 basicamente lançou campanhas experimentais em tokamaks em todo o mundo para estabilizar os modos de rasgo." Além disso, ele adicionou, "Significativamente, além de prever a estabilização dos modos de rasgo por RF, o artigo de 1983 também apontou a importância da perturbação da temperatura nas ilhas magnéticas. "

Característica subestimada

O novo artigo dá uma nova olhada no impacto dessas perturbações de temperatura nas ilhas, uma característica que foi subestimada desde que o artigo de 1983 apontou para ela. "Basicamente, voltamos 35 anos para levar esse pensamento um pouco mais além, explorando a física fascinante e as implicações maiores do feedback positivo, "Fisch disse." Acontece que essas implicações podem agora ser muito importantes para o programa tokamak hoje. "

Os teóricos começaram seu trabalho recente com um modelo simples e avançaram para outros mais complexos para abordar as questões-chave. Eles agora planejam produzir uma imagem mais detalhada com modelos ainda mais sofisticados. Eles também estão trabalhando para sugerir campanhas experimentais que irão expor esses novos efeitos. O suporte para esta pesquisa vem do DOE Office of Science.