Um requisito fundamental para futuras instalações que visam capturar e controlar na Terra a energia de fusão que impulsiona o sol e as estrelas são as previsões precisas da pressão do plasma - o calor, gás carregado que alimenta as reações de fusão dentro dos tokamaks em forma de donut que abrigam as reações. O ponto central dessas previsões é prever a pressão que a camada de raspagem, a fina tira de gás na borda do plasma, exerce sobre o divertor - o dispositivo que esgota o calor residual das reações de fusão.

Pesquisadores do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) desenvolveram novos insights sobre a física que rege o equilíbrio da pressão na camada de raspagem. Esse equilíbrio deve garantir que a pressão do plasma em todo o tokamak seja alta o suficiente para produzir uma reação de fusão de autoaquecimento em grande parte. O equilíbrio também deve limitar o impacto potencialmente prejudicial do calor e das partículas de plasma que atingem o divertor e outros componentes voltados para o plasma do tokamak.

"Suposições simples anteriores sobre o equilíbrio da pressão na camada de raspagem são incompletas, "disse o físico do PPPL Michael Churchill, autor principal de um Fusão nuclear documento que descreve as novas descobertas. "Os códigos que simulam a camada de raspagem muitas vezes descartam aspectos importantes da física, e o campo está começando a reconhecer isso. "

Fusão, o poder que impulsiona o sol e as estrelas, é a fusão de elementos leves na forma de plasma - o quente, estado carregado de matéria composta de elétrons livres e núcleos atômicos - que gera grandes quantidades de energia. Os cientistas estão tentando replicar a fusão na Terra para um suprimento virtualmente inesgotável de energia para gerar eletricidade.

Fatores chave

Churchill e colegas do PPPL determinaram os principais fatores por trás do equilíbrio de pressão executando o código de computador XGCa de última geração nos supercomputadores Cori e Edison no National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), um DOE Office of Science User Facility. O código trata o plasma em um nível cinético detalhado - ou movimento de partícula - em vez de um fluido.

Entre as principais características encontradas estava o impacto da deriva em massa de íons, um impacto que os códigos anteriores amplamente ignoraram. Esses desvios "podem desempenhar um papel fundamental", escreveram os autores, e "são muito importantes para levar em conta."

Também vistos como importantes no balanço de momento ou pressão foram os efeitos das partículas cinéticas devido aos íons tendo diferentes temperaturas dependendo de sua direção. Uma vez que a temperatura dos íons é difícil de medir na camada de raspagem, o jornal diz, "maiores esforços de diagnóstico devem ser feitos para medir com precisão a temperatura e os fluxos dos íons e, assim, permitir uma melhor compreensão do papel dos íons no SOL."

As novas descobertas podem melhorar a compreensão da pressão da camada de raspagem no divertor, Churchill disse, e pode levar a previsões precisas para o experimento internacional ITER em construção na França e outros tokamaks de próxima geração.