Uma equipe de cientistas da fusão conseguiu provar que os íons podem ser aquecidos por oscilações de plasma impulsionadas por partículas de alta energia. Isso foi confirmado pela realização de uma simulação em grande escala com um programa de simulação híbrida recentemente desenvolvido que liga cálculos para oscilações de plasma, partículas e íons de alta energia. Esta pesquisa irá acelerar os estudos de autoaquecimento do plasma para a realização da energia de fusão.

A reação de fusão entre íon deutério e íon trítio em um plasma de alta temperatura será usada em reatores de fusão no futuro. As partículas alfa de alta energia geradas pela reação de fusão dão sua energia ao plasma, e este autoaquecimento do plasma mantém a condição de alta temperatura necessária para a reação de fusão. Contudo, temos o problema de que o aquecimento de íons de combustível é fraco porque as partículas de alta energia dão a maior parte de sua energia aos elétrons por meio de colisões com os elétrons. A fim de aumentar a taxa de aquecimento de íons, propõe-se que os íons podem ser aquecidos pelas oscilações do plasma impulsionadas pelas partículas de alta energia. Contudo, este mecanismo de aquecimento de íons ainda não foi confirmado.

A equipe de pesquisa do professor assistente Hao Wang e do professor Yasushi Todo dos Institutos Nacionais de Ciências Naturais (NINS) do Instituto Nacional de Ciência de Fusão (NIFS) conduziu pesquisas sobre o aquecimento de íons por oscilações de plasma usando simulações de computador.

Professor Todo desenvolveu anteriormente um programa de computador que pode simular simultaneamente o estado do plasma como um todo, que é tratado como fluido, e o movimento de partículas de alta energia em um plasma. Este programa, porque liga e calcula o fluido e as partículas, é chamado de programa de simulação híbrida. Ele nos permite estudar a interação entre as oscilações do plasma e as partículas de alta energia. O programa é altamente avaliado entre os cientistas de fusão, e vários estudos de simulação usando o programa estão em andamento.

Contudo, a fim de estudar o aquecimento de íons por oscilações de plasma conduzidas por partículas de alta energia, é necessário expandir o programa de simulação híbrida para simular movimentos iônicos influenciados pelas oscilações do plasma. A equipe de pesquisa teve sucesso no desenvolvimento de um novo programa de simulação híbrida, calculando íons em um plasma como partículas e ligando os três tipos de cálculos para as oscilações do plasma, as partículas de alta energia, e os íons. Usando o novo programa de simulação híbrida, eles realizaram uma simulação em grande escala no supercomputador em relação ao plasma gerado no Large Helical Device (LHD). (No LHD, utilizamos as partículas de hidrogênio de alta energia que estão dentro do plasma para estudar as oscilações do plasma impulsionadas por partículas de alta energia.) A nova simulação híbrida mostra claramente que os íons obtêm energia das oscilações do plasma excitadas pelas partículas de alta energia. Isso indica que a taxa de aquecimento do íon em um plasma com autoaquecimento pode ser aumentada usando as oscilações do plasma.

Assim, a equipe de pesquisa provou o aquecimento de íons por oscilações de plasma pela primeira vez no mundo. Com base nos resultados deste estudo, a pesquisa sobre plasma de autoaquecimento para a realização da energia de fusão será acelerada.

O resultado desta pesquisa foi publicado como Wang, et al. "Simulação de modos acústicos geodésicos acionados por partículas energéticas e a canalização de energia nos plasmas de grandes dispositivos helicoidais" em Fusão nuclear em agosto de 2019.