Um obstáculo chave para controlar na Terra a fusão que alimenta o sol e as estrelas é o vazamento de energia e partículas do plasma, o calor, estado carregado de matéria composta de elétrons livres e núcleos atômicos que alimenta as reações de fusão. No Departamento de Energia dos EUA (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), os físicos têm se concentrado na validação de simulações de computador que prevêem perdas de energia causadas por transporte turbulento durante experimentos de fusão.

Os pesquisadores usaram códigos desenvolvidos na General Atomics (GA) em San Diego para comparar as previsões teóricas de transporte turbulento de elétrons e íons com as descobertas da primeira campanha do laboratório compacto - ou "relação de aspecto baixa" - Atualização do Experimento de Toro Esférico Nacional (NSTX -VOCÊ). GA, que opera o DIII-D National Fusion Facility para o DOE, desenvolveu códigos adequados para este propósito.

Os tokamaks de baixa proporção têm o formato de maçãs com núcleo, ao contrário dos tokamaks convencionais mais amplamente usados ​​que têm o formato de donuts.

Códigos de última geração

"Temos códigos de última geração baseados em teorias sofisticadas para prever o transporte, "disse o físico Walter Guttenfelder, autor principal de um Fusão nuclear artigo que relata as descobertas de uma equipe de pesquisadores. "Devemos agora validar esses códigos em uma ampla gama de condições para ter certeza de que podemos usar as previsões para otimizar experimentos presentes e futuros."

A análise do transporte observado em experimentos NSTX-U descobriu que um fator importante por trás das perdas foi a turbulência que fez com que o transporte de elétrons fosse "anômalo, "o que significa que eles se espalharam rapidamente, semelhante à maneira como o leite se mistura com o café quando mexido com uma colher. Os códigos GA prevêem que a causa dessas perdas seja uma mistura complexa de três tipos diferentes de turbulência.

As descobertas observadas abriram um novo capítulo no desenvolvimento de previsões de transporte em tokamaks de baixa proporção - um tipo de instalação de fusão que poderia servir como modelo para reatores de fusão de próxima geração que combinam elementos leves na forma de plasma para produzir energia . Cientistas de todo o mundo estão tentando replicar a fusão na Terra para obter um suprimento virtualmente inesgotável de energia para gerar eletricidade.

Os pesquisadores do PPPL agora pretendem identificar os mecanismos por trás do transporte anômalo de elétrons em um tokamak compacto. As simulações prevêem que essa perda de energia decorre da presença de três tipos distintos de turbulência complexa - dois tipos com comprimentos de onda relativamente longos e um terceiro com comprimentos de onda uma fração do tamanho dos dois maiores.

O impacto de um dos dois tipos de ondas longas, que é normalmente encontrado no núcleo de tokamaks de baixa proporção de aspecto, bem como na borda do plasma em tokamaks convencionais, deve ser totalmente levado em consideração ao prever o transporte de baixa relação de aspecto.

Desafio para simular

Contudo, o impacto combinado de todos os três tipos de turbulência é um desafio de simular, já que os cientistas normalmente estudam os diferentes comprimentos de onda separadamente. Físicos do Massachusetts Institute of Technology (MIT) realizaram recentemente simulações em várias escalas e seu trabalho destaca o tempo significativo do supercomputador que tais simulações requerem.

Os pesquisadores agora devem testar simulações adicionais para alcançar um acordo mais completo entre as previsões de transporte e os experimentos em plasmas em tokamaks de baixa proporção. Incluídas nessas comparações estarão as medidas de turbulência tomadas pelos co-autores da Universidade de Wisconsin-Madison do Fusão nuclear papel que restringirá melhor as previsões. Acordo aprimorado fornecerá garantia de previsões de perda de energia para instalações atuais e futuras.