Todos os esforços para replicar nas instalações de fusão de tokamak a energia de fusão que alimenta o sol e as estrelas devem lidar com um problema constante - explosões de calor transitórias que podem interromper as reações de fusão e danificar os tokamaks em forma de donut. Essas rajadas, chamados modos localizados de borda (ELMs), ocorrem na borda do quente, gás de plasma carregado quando ele entra em alta marcha para alimentar as reações de fusão.

Para evitar essas explosões, pesquisadores do DIII-D National Fusion Facility, que a General Atomics (GA) opera para o Departamento de Energia dos EUA (DOE), foi pioneira anteriormente em uma abordagem que injeta pequenas ondulações de campos magnéticos no plasma para fazer com que o calor vaze de forma controlada. Agora, os cientistas do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do DOE desenvolveram um esquema de controle para otimizar os níveis desses campos para desempenho máximo sem ELMs.

Caminho para suprimir ELMs

A pesquisa, liderado pelo físico do PPPL Florian Laggner e financiado pelo DOE Office of Science, desenvolveu o esquema no DIII-D em San Diego. Laggner disse que o método, reunidos com pesquisadores da GA e outras instituições colaboradoras, revela um caminho para suprimir ELMs e maximizar a potência de fusão no ITER, o tokamak internacional em construção na França, projetado para demonstrar a praticidade da energia de fusão. “Mostramos um caminho a seguir, uma maneira de fazer isso, "disse Laggner, autor principal de um artigo relatando as descobertas em Fusão nuclear .

A fusão alimenta o sol e as estrelas combinando 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. Cientistas de todo o mundo estão procurando aproveitar a fusão para um suprimento virtualmente inesgotável de energia limpa e segura para gerar eletricidade.

A técnica demonstrada usa a capacidade expandida do sistema de controle de plasma DIII-D para resolver o conflito inerente entre otimizar a energia de fusão e controlar ELMs. O esquema se concentra no "pedestal, " o magro, camada densa de plasma perto da borda do tokamak que aumenta a pressão do plasma e, portanto, o poder de fusão. Contudo, se o pedestal ficar muito alto, ele pode criar explosões de calor do ELM, desmoronando repentinamente.

Portanto, a chave é controlar a altura do pedestal para maximizar a potência de fusão, evitando que a camada fique tão alta que acione ELMs. A combinação exige controle em tempo real do processo. "Você não pode simplesmente pré-programar algum esquema constante de antemão, uma vez que as condições de plasma e parede podem evoluir, "disse Egemen Kolemen, um professor assistente de Engenharia Mecânica e Aeroespacial na Universidade de Princeton e um físico do PPPL que supervisionou o projeto. “O controle deve fornecer ajustes em tempo real”.

Supressão de ELM estável

O sistema desenvolvido criou supressão ELM na amplitude mínima, ou tamanho, da perturbação magnética. Ele reduziu ainda mais a amplitude para permitir a recuperação parcial do confinamento perdido durante o processo, alcançando assim supressão de ELM estável e alto desempenho de fusão.

"Laggner e seus colegas montaram um conjunto impressionante de ferramentas de controle para regular a estabilidade do plasma do núcleo e da borda em tempo real, "disse o físico da GA Carlos Paz-Soldan, um co-autor do artigo. "Algum tipo de controle adaptativo como as técnicas pioneiras neste trabalho provavelmente será necessário para regular a estabilidade da borda do plasma no ITER."

Embora a instalação internacional não aplique simplesmente o sistema de controle desenvolvido pelo PPPL e GA, ele deve criar seu próprio método para lidar com ELMs. De fato, "os esquemas de controle ativo permitirão uma operação segura com ganho maximizado [fusão] em dispositivos futuros, como ITER, "disseram os autores. Além disso, eles adicionaram, a implementação de tal esquema no DIII-D fornece prova de princípio e "orienta o desenvolvimento futuro."