Os cientistas que buscam trazer a fusão que alimenta o sol e as estrelas para a Terra devem lidar com instabilidades dente de serra - oscilações para cima e para baixo na pressão central e na temperatura do plasma que alimenta as reações de fusão, semelhantes às lâminas serrilhadas de uma serra. Se essas oscilações forem grandes o suficiente, eles podem levar ao colapso repentino de toda a descarga do plasma. Essas oscilações foram observadas pela primeira vez em 1974 e, até agora, iludiram uma teoria amplamente aceita que explica as observações experimentais.

Consistente com as observações

Pesquisadores do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) propuseram uma nova teoria para explicar as oscilações que ocorrem em tokamaks em forma de donut, ou instalações de fusão. A teoria, criado por meio de simulações de computador de alta fidelidade, parece consistente com as observações feitas durante os experimentos de tokamak, disseram os pesquisadores. Compreender o processo pode ser vital para instalações de fusão de próxima geração, como ITER, a experiência internacional em construção na França para demonstrar a praticidade da energia de fusão.

Fusion combina 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 que buscam replicar a fusão na Terra pretendem fornecer um suprimento virtualmente inesgotável de energia limpa e segura para gerar eletricidade.

As descobertas recentes demonstram que quando a pressão no núcleo do plasma atinge um certo ponto, outras instabilidades podem ser excitadas que produzem as quedas repentinas de pressão e temperatura. Essas instabilidades criam campos magnéticos confusos - ou estocásticos - no núcleo do plasma que causam o colapso, disse o físico Stephen Jardin, autor principal de um artigo que descreve o processo em Física dos Plasmas e destacado em uma publicação do American Institute of Physics chamada "SciLight".

"A maioria das descargas de tokamak exibem dentes serrados, "Jardin disse, "e estamos tentando fornecer a teoria da física por trás deles."

As novas descobertas afastam-se nitidamente de uma teoria de longa data de que a causa das oscilações é uma instabilidade que leva à reconexão magnética - a quebra e a junção das linhas do campo magnético no plasma. "Essa teoria existe há mais de 40 anos, "Jardin disse.

Motivando a nova teoria

Motivando a nova teoria está a pesquisa PPPL anterior que demonstra como a instabilidade que se pensava levar à reconexão magnética pode, na verdade, auto-estabiliza o plasma. Ele faz isso produzindo uma voltagem localizada que evita que a corrente no núcleo do plasma atinja o pico o suficiente para ser submetida à reconexão magnética.

A nova explicação sustenta que, embora a reconexão magnética seja suprimida, um aumento de calor no núcleo do plasma pode excitar instabilidades localizadas que agem juntas para achatar a pressão e a temperatura durante o ciclo dente de serra. Simulações produzidas por códigos desenvolvidos por Jardin e o físico do PPPL Nate Ferraro, um co-autor do artigo, demonstrar este processo. As novas instabilidades podem crescer muito rápido, consistente com o rápido colapso do calor visto em experimentos que a teoria tradicional não consegue explicar.

Este modelo avançado fornece uma nova maneira de entender o fenômeno dente de serra. Olhando para a frente, os cientistas querem explorar a aplicabilidade do modelo a tarefas como a descrição da evolução de "dentes serrados de monstros" e o uso de antenas de radiofrequência de alta potência para controlar oscilações de dente de serra. "Queremos desenvolver um modelo de simulação de um plasma tokamak completo, "Jardin disse, "e esta nova teoria dos dentes de serra é uma parte importante do esforço."