Como você inicia uma reação de fusão, o processo que ilumina o sol e as estrelas, na terra? Como acender um fósforo para acender um fogo, você primeiro produz plasma, o estado da matéria composta de elétrons livres e núcleos atômicos que alimentam as reações de fusão, e aumentá-lo a temperaturas que rivalizam com o sol em centenas de milissegundos.

Físicos do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE), trabalhando com pesquisadores do Culham Center for Fusion Energy (CCFE), no Reino Unido, construíram uma estrutura de simulação para desenvolver e testar as receitas de inicialização do plasma para o National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U) no PPPL e o Mega Ampere Spherical Tokamak-Upgrade (MAST-U) no CCFE. "Esta é uma ferramenta para ajudar um operador a projetar uma receita de inicialização bem-sucedida antes de se sentar no assento do motorista em NSTX-U ou MAST-U, "disse o físico Devon Battaglia, que lidera a equipe de operadores no experimento NSTX-U e é o autor principal de um artigo que descreve o modelo na revista Fusão nuclear .

Fusão de partículas de plasma

A fusão funde as partículas de plasma para liberar grandes quantidades de energia. Cientistas de todo o mundo estão tentando replicar o processo celestial para produzir um limpar, e fornecimento virtualmente inesgotável de energia para geração de eletricidade.

A receita típica para formar um plasma em dispositivos de fusão magnética chamados tokamaks começa pela aplicação de voltagem em um gás injetado em um campo magnético forte. O gás torna-se plasma em poucos milissegundos e aquece rapidamente a milhões de graus. Criar a melhor receita para uma inicialização de sucesso exige um ajuste fino da pressão do gás com uma evolução consistente dos campos elétricos e magnéticos, tarefa delicada que cabe ao operador.

O novo recurso de simulação permite que os operadores atinjam rapidamente esse equilíbrio, reduzindo significativamente o tempo gasto na execução de experimentos para encontrar uma receita que funcione.

Os pesquisadores derivaram e validaram os modelos na estrutura de simulação em relação aos dados coletados de experimentos anteriores no NSTX-U e seu predecessor, e o predecessor do MAST-U. Battaglia trabalhou em estreita colaboração com os físicos do CCFE para desenvolver o novo modelo, fazendo do jornal um esforço conjunto, e viajará para lá novamente para o início agendado do MAST-U.

"A decomposição do plasma é um marco importante para o MAST-U e o trabalho de Devon fornece uma visão valiosa sobre a melhor rota para conseguir a inicialização, "disse o físico Andrew Thornton, operador líder no MAST-U e co-autor do artigo. "Ter a experiência de Devon no local quando reiniciarmos será imensamente valioso, pois ele realizou experimentos semelhantes no NSTX-U que podem orientar os esforços no MAST-U."

Fornecendo novos insights

O desenvolvimento do modelo fornece novos insights sobre a inicialização de tokamaks esféricos, como NSTX-U e MAST-U, que têm o formato de maçãs com núcleo em vez do formato de donut dos tokamaks convencionais mais amplamente usados. O processo de montagem do framework de simulação também contribuiu para os esforços de desenvolvimento de ferramentas computacionais para a primeira operação do ITER, o tokamak internacional em construção na França para demonstrar a praticidade da energia de fusão.