Um grande obstáculo para a produção de produtos seguros, a energia de fusão limpa e abundante na Terra é a falta de compreensão detalhada de como o calor, o gás de plasma carregado que alimenta as reações de fusão se comporta na borda das instalações de fusão chamadas de "tokamaks". Avanços recentes por pesquisadores do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) avançaram no entendimento do comportamento da borda de plasma altamente complexa em tokamaks em forma de donut no caminho para capturar a energia de fusão que alimenta o sol e estrelas. Compreender essa região de borda será particularmente importante para operar o ITER, o experimento de fusão internacional em construção na França para demonstrar a praticidade da energia de fusão.

Achado inédito

Entre as primeiras descobertas está a descoberta de que a contabilização das flutuações turbulentas nos campos magnéticos que confinam o plasma que alimenta as reações de fusão pode reduzir significativamente o fluxo de partículas turbulentas perto da borda do plasma. Simulações de computador mostram que o fluxo líquido de partículas pode diminuir em até 30 por cento, apesar do fato de que a magnitude média da flutuação da densidade de partículas turbulentas aumenta em 60 por cento - indicando que, embora as flutuações de densidade turbulentas sejam mais virulentas, eles estão removendo as partículas do dispositivo com menos eficácia.

Os pesquisadores desenvolveram um código especializado chamado "Gkeyll" - pronunciado exatamente como "Jekyll" em "O Estranho Caso do Dr. Jekyll e Mr. Hyde", de Robert Louis Stevenson - que torna essas simulações viáveis. O código matemático, uma forma de modelagem chamada "giroquinética, "simula a órbita de partículas de plasma em torno das linhas de campo magnético na borda de um plasma de fusão.

"Nosso artigo recente resume os esforços do grupo Gkeyll na área de simulação giroquinética, "disse o físico do PPPL Ammar Hakim, autor principal de um artigo de Física dos Plasmas que fornece uma visão geral das realizações do grupo, baseado em uma palestra que ele deu na conferência da Divisão de Física do Plasma da Sociedade Americana de Física (APS-DPP) no outono passado. A pesquisa, coautoria de cientistas de seis instituições, adapta um algoritmo de última geração ao sistema giroquinético para desenvolver as "descobertas numéricas essenciais necessárias para fornecer simulações precisas, "Hakim disse.

Esforço mundial

Essas descobertas fazem parte do esforço mundial para compreender a ciência por trás da produção de reações de fusão na Terra. As reações de fusão combinam elementos leves na forma de plasma - o quente, estado carregado de matéria composta de elétrons livres e núcleos atômicos que constituem 99% do universo visível - para gerar grandes quantidades de energia que poderiam fornecer um suprimento virtualmente inesgotável de energia para gerar eletricidade para a humanidade.

Noah Mandell, um estudante de pós-graduação no Programa da Universidade de Princeton em Física de Plasma, construído com base no trabalho da equipe para desenvolver o primeiro código giroquinético capaz de lidar com flutuações magnéticas no que é chamado de camada de raspagem de plasma (SOL) na borda dos plasmas tokamak. O britânico Journal of Plasma Physics publicou e destacou seu relatório como um artigo de destaque.

Mandell explora como a turbulência de plasma em forma de bolha curva as linhas do campo magnético, levando à dinâmica de "linhas de campo dançantes". Ele descobre que as linhas de campo geralmente se movem suavemente, mas quando dançam podem se reconfigurar abruptamente em eventos de reconexão que as fazem convergir e se separarem violentamente.

As descobertas de Mandell são melhor descritas como "prova de conceito" no que diz respeito às flutuações magnéticas, ele disse. "Sabemos que há mais efeitos físicos que precisam ser adicionados ao código para comparações detalhadas com experimentos, mas as simulações já estão mostrando propriedades interessantes perto da borda do plasma, "disse ele." A capacidade de lidar com a curvatura das linhas do campo magnético também será essencial para futuras simulações de modos localizados de borda (ELMs), que gostaríamos de fazer melhor para entender as explosões de calor que eles causam e que devem ser controladas para evitar danos ao tokamak. "

Muito desafiante

O que torna esta descoberta única é que os códigos giroscinéticos anteriores simularam blobs SOL, mas assumiram que as linhas de campo eram rígidas, Mandell observou. Estender um código giroscinético para calcular o movimento das linhas de campos magnéticos é computacionalmente muito desafiador, exigindo algoritmos especiais para garantir que dois termos grandes se equilibrem com uma precisão melhor do que 1 parte em um milhão.

Além disso, enquanto os códigos que modelam turbulência no núcleo do tokamak podem incluir flutuações magnéticas, tais códigos não podem simular a região SOL. "O SOL requer códigos especializados como Gkeyll, que podem lidar com flutuações de plasma muito maiores e interações com as paredes do reator, "Mandell disse.

As etapas futuras para o grupo Gkeyll incluirão a investigação do mecanismo físico preciso que afeta a dinâmica da borda do plasma, um efeito provavelmente conectado às linhas de campo de dobra. “Este trabalho fornece trampolins que considero muito importantes, "Hakim disse." Sem os algoritmos que fizemos, essas descobertas seriam muito difíceis de aplicar ao ITER e a outras máquinas. "