Cientistas que buscam capturar e controlar a energia de fusão da Terra, o processo que alimenta o sol e as estrelas, enfrentam o risco de interrupções - eventos repentinos que podem interromper as reações de fusão e danificar as instalações chamadas tokamaks que os abrigam. Pesquisadores do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE), e a Universidade de Washington desenvolveram um novo protótipo para controlar rapidamente as interrupções antes que elas tenham efeito total.

O dispositivo, chamado de "injetor de partículas eletromagnéticas" (EPI), é um tipo de canhão elétrico que dispara um projétil de alta velocidade de um par de trilhos eletrificados em um plasma prestes a se romper. O projétil, chamado de "sabot, "libera uma carga útil de material no centro do plasma que irradia, ou se espalha, a energia armazenada no plasma, reduzindo seu impacto no interior do tokamak.

Cargas úteis profundamente penetrantes

Esse processo pode ser mais rápido e permitir que as cargas úteis penetrem mais profundamente no plasma do que as técnicas mais desenvolvidas de hoje. Os sistemas atuais liberam gás pressurizado ou pelotas estilhaçadas movidas a gás usando uma válvula de gás no plasma, mas com velocidade limitada pela massa das partículas de gás. "A principal vantagem do conceito de EPI sobre os sistemas movidos a gás é o seu potencial para atender a escalas de tempo de alerta curto, "disse Roger Raman, um físico da Universidade de Washington em missão de longo prazo para PPPL e autor principal de um Fusão nuclear papel que descreve o novo sistema.

O risco de interrupções é particularmente grande para o ITER, o grande tokamak internacional em construção na França para demonstrar a viabilidade da energia de fusão. ITER é denso, descargas de plasma de alta potência, o estado da matéria que alimenta as reações de fusão, tornará difícil para os métodos atuais de mitigação movidos a gás penetrarem profundamente o suficiente no plasma altamente energético do ITER para ter um bom efeito.

No ITER, a mitigação é desejada em menos de 20 milissegundos, ou milhares de segundos, desde o aviso de uma interrupção, com 10 milissegundos como ideal. Testes do protótipo EPI mostram que ele pode entregar uma carga útil de partículas de tamanho correto em menos de 10 milissegundos, em comparação com 30 milissegundos para sistemas movidos a gás.

O protótipo, construído na Universidade de Washington, remonta a um sistema de abastecimento de reator de fusão em que Raman trabalhou anos atrás. Esse sistema injetou plasmóides, plasmas em forma de futebol com seus próprios campos magnéticos, que foram injetados em um plasma de fusão em alta velocidade. Raman adaptou alguns recursos do sistema para permitir que muito mais massa seja injetada em uma configuração mais simples, como seria necessário para um modo de operação de longa espera, para desenvolver o EPI.

Trilhos eletricamente condutores

O protótipo abriga o sabot entre dois trilhos condutores de eletricidade localizados a cerca de 2 a 3 centímetros um do outro e conectados a um banco de capacitores que contém uma carga elétrica. A descarga do banco produz forças eletromagnéticas que aceleram o sabot, permitindo a liberação da carga útil em apenas 2 milissegundos. O material, consistindo em grânulos de metal leve ou pelotas, irradiaria a energia de uma ruptura do centro do plasma para a borda, espalhando a energia e enfraquecendo seu impacto nas paredes do tokamak.

Foi proposto que o desenvolvimento do sistema EPI seja realizado no PPPL. Os planos prevêem a construção de protótipos de segunda e terceira geração com campos magnéticos cada vez mais fortes ao longo de um período de três anos, seguido por implantação em um tokamak no quarto ano. Resultados até agora, como relatado em Fusão nuclear , fornecem um grau de confiança de que um sistema EPI eficaz pode ser desenvolvido para mitigar interrupções poderosas no ITER.