Os pesquisadores descobriram que injetar pelotas de gelo de hidrogênio em vez de soprar gás hidrogênio melhora o desempenho da fusão na Instalação de Fusão Nacional DIII-D, que a General Atomics opera para o Departamento de Energia dos EUA (DOE). Os estudos feitos por físicos baseados no Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) e Oak Ridge National Laboratory (ORNL) compararam os dois métodos, olhando para o abastecimento que será usado no ITER, o experimento de fusão internacional em construção na França.

Melhore a temperatura

Os pesquisadores mostraram que pelotas geladas de hidrogênio melhoram a temperatura do plasma de fusão em comparação com o método de abastecimento de gás agora normalmente usado em instalações de fusão em formato de donut chamadas tokamaks. Temperaturas mais altas são benéficas para as reações de fusão. Os resultados do DIII-D são encorajadores para o ITER, que planeja usar injeção de pelotas para abastecer seu núcleo interno quente.

Fusão, o poder que impulsiona o sol e as estrelas, combina elementos leves na forma de plasma - o estado da matéria que consiste em núcleos atômicos carregados positivamente e elétrons carregados negativamente - para criar grandes quantidades de energia. Os cientistas procuram replicar a fusão na Terra para uma segurança, fornecimento limpo e virtualmente inesgotável de energia para gerar eletricidade.

Um desafio para a produção de energia de fusão é como colocar combustível de hidrogênio frio no núcleo de plasma quente. O sol tem todo o hidrogênio de que precisa por bilhões de anos, mas os reatores de fusão na Terra devem alimentar constantemente hidrogênio no plasma para sustentar as reações de fusão. Soltar gás em temperatura ambiente é a forma mais comum de injetar hidrogênio nos experimentos atuais.

Maior e mais quente

Contudo, à medida que os reatores de fusão ficam maiores e mais quentes, torna-se mais difícil para o gás penetrar no núcleo do reator, onde ocorrem as reações de fusão. Portanto, novos métodos precisam ser desenvolvidos para alimentar o núcleo de fusão sem degradar o desempenho do plasma.

O esforço conjunto de pesquisa sobre DIII-D comparou os dois métodos de abastecimento em plasmas de alto desempenho planejados para o ITER. Os experimentos revelaram uma pressão significativamente maior de plasma - uma chave para as reações de fusão - usando gelo de hidrogênio em comparação com a injeção de gás quando a taxa de abastecimento é quase igual entre os dois métodos.

"O abastecimento de combustível desempenha um grande papel no desempenho do plasma de ponta, "disse Andrew" Oak "Nelson, estudante de pós-graduação no Programa de Física do Plasma da Universidade de Princeton e primeiro autor do artigo sobre Fusão Nuclear que descreve esses resultados. Nelson faz parte de uma equipe multi-institucional que elaborou e executou cuidadosamente os experimentos.

Cientistas da ORNL

A tecnologia de injeção dos pellets de gelo foi desenvolvida por cientistas do ORNL. A interpretação dos resultados experimentais requer instrumentos científicos sofisticados desenvolvidos por várias instituições colaboradoras no DIII-D. "É ótimo ver como nosso esforço multi-institucional se uniu para enfrentar esta importante questão de combustível para o ITER e futuros reatores, "disse Morgan Shafer, um cientista pesquisador líder do ORNL e co-autor do artigo.

A pesquisa também demonstra como os alunos de pós-graduação podem fazer contribuições importantes para a energia de fusão trabalhando nessas grandes instalações de pesquisa nacionais. "Para um aluno de pós-graduação desempenhar um papel importante neste estudo experimental em DIII-D é impressionante, "disse Egemen Kolemen, um físico do PPPL e da Universidade de Princeton que foi conselheiro do projeto. "O sucesso de Oak mostra como grandes experimentos de fusão fornecem oportunidades de liderança significativas para estudantes e cientistas em início de carreira."