Um desafio para a criação de energia de fusão na Terra é capturar o gás carregado conhecido como plasma, que alimenta as reações de fusão dentro de um forte campo magnético, e manter o plasma tão quente e denso quanto possível pelo maior tempo possível. Agora, cientistas do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) ganharam uma nova visão sobre um tipo comum de soluço conhecido como instabilidade dente de serra que resfria o plasma quente no centro e interfere nas reações de fusão. Essas descobertas podem ajudar a trazer a energia de fusão para mais perto da realidade.

"Os modelos convencionais explicam a maioria dos casos de colisões de dente de serra, mas há um subconjunto tenaz de observações que nunca fomos capazes de explicar, "disse o físico do PPPL Christopher Smiet, autor principal de um artigo relatando os resultados em Fusão nuclear . "Explicar essas ocorrências incomuns preencheria uma lacuna na compreensão do fenômeno dente de serra que existe há quase 40 anos."

Fusion combina elementos leves na forma de plasma - o quente, estado carregado de matéria composta de elétrons livres e núcleos atômicos - e no processo gera grandes quantidades de energia no sol e nas estrelas. Os cientistas estão tentando replicar a fusão em dispositivos na Terra para um suprimento virtualmente inesgotável de energia limpa e segura para gerar eletricidade.

Os pesquisadores sabem há décadas que a temperatura no centro do plasma de fusão geralmente aumenta lentamente e pode cair repentinamente - uma ocorrência indesejada, pois a temperatura mais fria reduz a eficiência. A teoria prevalecente é que o acidente ocorre quando uma quantidade chamada fator de segurança, que mede a estabilidade do plasma, cai para uma medição próxima de 1. O fator de segurança está relacionado a quanta torção existe no campo magnético nas instalações de fusão tokamak em forma de rosca.

Contudo, algumas observações sugerem que a queda de temperatura ocorre quando o fator de segurança cai para cerca de 0,7. Isso é bastante surpreendente e não pode ser explicado pelas teorias mais amplamente aceitas.

O novo insight, vindo não da física do plasma, mas da matemática abstrata, mostra que quando o fator de segurança assume valores específicos, um dos quais está perto de 0,7, o campo magnético no núcleo do plasma pode mudar para uma configuração diferente chamada hiperbólica alternada. "Nesta topologia, o plasma é perdido no núcleo, "Smiet diz." O plasma é expelido do centro em direções opostas. Isso leva a uma nova maneira de a gaiola magnética rachar parcialmente, para a temperatura no núcleo cair de repente, e para que o processo se repita conforme o campo magnético e a temperatura se recuperam lentamente. "

Os novos insights sugerem uma nova direção de pesquisa estimulante para manter mais calor dentro do plasma e produzir reações de fusão com mais eficiência. "Se não podemos explicar essas observações atípicas, então não entendemos totalmente o que está acontecendo nessas máquinas, "Smiet disse." Contornar a instabilidade dente de serra pode levar a uma produção mais quente, mais plasmas tortuosos e nos aproximam da fusão. "

Este modelo surgiu de pesquisa matemática puramente abstrata. Smiet encontrou uma maneira matemática de descrever o campo magnético no centro de um tokamak. Todas as configurações possíveis podem então ser associadas a uma estrutura algébrica chamada grupo de Lie. "A matemática é realmente muito bonita, "Smiet diz." Este grupo matemático dá a você uma visão panorâmica de todas as configurações magnéticas possíveis e quando uma configuração pode mudar para outra. "

O novo modelo mostra que uma das vezes que a configuração magnética em um tokamak pode mudar é quando o fator de segurança cai para precisamente dois terços, ou 0,666. "Isso é assustadoramente próximo ao valor de 0,7 que foi visto em experimentos, particularmente quando a incerteza experimental é levada em consideração, "Disse Smiet." Uma das partes mais bonitas desses resultados, " ele disse, "é que eles vieram apenas de mexer com matemática pura."

Smiet espera verificar o novo modelo executando experimentos em um tokamak. "A matemática nos mostrou o que procurar, " ele disse, "então agora devemos ser capazes de ver isso."