Uma equipe do DIII-D National Fusion Facility liderada por um físico William &Mary fez um avanço significativo na compreensão da física que representa um passo fundamental em direção à energia de fusão prática.

O trabalho, publicado em artigo na revista Fusão nuclear , ajuda a explicar melhor a relação entre três variáveis ​​- turbulência do plasma, o transporte de elétrons através do plasma e a densidade de elétrons no núcleo. Como esses fatores são elementos-chave da reação de fusão, esse entendimento pode melhorar significativamente a capacidade de prever o desempenho e a eficiência dos plasmas de fusão, um passo necessário para alcançar usinas de fusão comerciais.

"Já sabemos há algum tempo que existe uma relação entre a densidade do elétron do núcleo, colisões elétron-íon e movimento de partículas no plasma, "disse Saskia Mordijck de William &Mary, que liderou a equipe de pesquisa multi-institucional do DIII-D. "Infelizmente, até agora, a pesquisa não foi capaz de desvendar essa relação de outros componentes que afetam os padrões de densidade de elétrons. "

Mordijck, um professor assistente no Departamento de Física da William &Mary, observa que, além do esforço internacional em DIII-D, A W&M tem contribuído para experiências semelhantes na União Europeia.

DIII-D, que a General Atomics opera como uma instalação de usuário nacional para o Escritório de Ciência do Departamento de Energia, é o maior centro de pesquisa de fusão magnética do país. Ele hospeda pesquisadores de mais de 100 instituições em todo o mundo, incluindo 40 universidades. O coração da instalação é um tokamak que usa eletroímãs poderosos para produzir um recipiente magnético em forma de donut para confinar um plasma de fusão. Em DIII-D, temperaturas de plasma mais de 10 vezes mais altas do que o Sol são alcançadas rotineiramente. Em temperaturas extremamente altas, isótopos de hidrogênio podem se fundir e liberar energia.

Em um tokamak, a energia de fusão é determinada pela temperatura, densidade do plasma e tempo de confinamento. Ganho de fusão, expresso como o símbolo Q, é a razão entre a potência de fusão e a potência de entrada necessária para manter a reação e, portanto, é um indicador-chave da eficiência do dispositivo. Em Q =1, o ponto de equilíbrio foi alcançado, mas por causa das perdas de calor, plasmas autossustentáveis ​​não são alcançados até cerca de Q =5. Os sistemas atuais alcançaram valores extrapolados de Q =1,2. Espera-se que o experimento ITER em construção na França alcance Q =10, mas as usinas de fusão comerciais provavelmente precisarão atingir valores de Q ainda mais altos para serem econômicas.

Como a densidade de elétrons no núcleo do plasma é um elemento crítico do ganho de fusão, os cientistas estão desenvolvendo métodos para alcançar maiores densidades de pico. Uma abordagem identificada anteriormente que se mostra promissora é a redução das colisões de elétrons-íons, um parâmetro que os físicos do plasma chamam de colisionalidade. Contudo, pesquisa anterior não foi capaz de estabelecer a relação exata entre pico de densidade e colisionalidade, nem isolar o efeito de outras características do plasma.

A equipe DIII-D conduziu uma série de experimentos nos quais apenas a colisionalidade do plasma foi variada, enquanto outros parâmetros foram mantidos constantes. Os resultados demonstraram que a baixa colisionalidade melhora a densidade de elétrons com pico através da formação de uma barreira interna ao movimento das partículas através do plasma, que por sua vez alterou a turbulência do plasma. Trabalhos anteriores sugeriram que o efeito pode ser devido ao aquecimento do plasma por injeção de feixe neutro, mas os experimentos mostram que estava ligado ao transporte de partículas e turbulência.

"Este trabalho melhora substancialmente a compreensão do comportamento do elétron no núcleo do plasma, que é uma área de grande importância para aumentar o ganho de fusão, "disse David Hill, diretor do DIII-D. "Este é outro passo importante em direção à energia de fusão prática em reatores comerciais futuros."