Cientistas do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) ampliaram a compreensão de uma barreira que pode impedir que as instalações de fusão em forma de donut, conhecidas como tokamaks, operem com alta eficiência, fazendo com que o calor vital seja perdido.

Liderado pelo físico do PPPL Roscoe White, a equipe de pesquisa usou computadores para simular um tipo de movimento de plasma que pode empurrar partículas altamente energéticas do núcleo para a borda, um fenômeno que pode ocorrer no ITER, o tokamak multinacional sendo construído na França para demonstrar a viabilidade da fusão como fonte de energia.

"Para que qualquer dispositivo de fusão funcione, você precisa se certificar de que as partículas altamente energéticas dentro dele estão muito bem confinadas dentro do núcleo do plasma, disse o físico do PPPL Vinícius Duarte, um membro da equipe de pesquisa que relatou os resultados em Física dos Plasmas . "Se essas partículas derem para a borda do plasma, você não pode sustentar o plasma em estado estacionário necessário para tornar a eletricidade alimentada por fusão uma realidade. "

Duarte se refere a um fenômeno chamado "chilrear" que ocorre quando a frequência das ondas de plasma que interagem com partículas altamente energéticas muda repentinamente, em última análise, fazendo com que a energia escape do núcleo do plasma e produza tons que mudam rapidamente. As novas descobertas, que elucidam aspectos de como o chilrear se forma em um tokamak, pode ajudar os pesquisadores a descobrir como impedir os chilreios e manter o calor vital. Prevenir as mudanças repentinas de frequência também pode proteger as paredes do tokamak da liberação repentina de explosões de energia concentradas e prejudiciais.

Fusion combina elementos leves na forma de plasma - o quente, estado carregado de matéria composta de elétrons livres e núcleos atômicos - e gera grandes quantidades de energia nas estrelas. Os cientistas pretendem replicar a fusão em dispositivos na Terra para um fornecimento virtualmente inesgotável de energia limpa e segura para gerar eletricidade.

Os pesquisadores usaram simulações de computador mostrando visões altamente detalhadas do movimento dos conglomerados de partículas de plasma para revelar alguns dos mecanismos responsáveis ​​pelo chilrear, dando esperança de que os cientistas possam encontrar maneiras de amenizar seus efeitos. Os cientistas usaram o código PPPL ORBIT para calcular como a posição e a velocidade das partículas de plasma mudam ao longo do tempo em três dimensões. As simulações mostraram que o chilrear começa quando as partículas em movimento rápido no núcleo interagem com as ondas que ondulam através do plasma e espontaneamente formam aglomerados que migram para a borda do plasma. As descobertas confirmam resultados anteriores com base em configurações simplificadas de tokamak; eles também revelam dinâmicas mais ricas e complexas nunca vistas antes.

Esta interação com partículas de plasma faz com que a frequência das chamadas ondas de Alfvén de plasma aumente e diminua simultaneamente, catapultando os aglomerados em direção à borda do plasma e às vezes na parede. "As ferramentas desenvolvidas nesta pesquisa permitiram um vislumbre do complicado, dinâmica auto-organizada dos chilros em um tokamak, "Disse Duarte.

Os cientistas tiveram que criar novas ferramentas virtuais para observar o movimento das ondas simuladas com os detalhes necessários. "O mais difícil foi inventar o diagnóstico que mostrasse claramente o que estava acontecendo, "disse White." Em certo sentido, é como construir um microscópio que permitirá que você visualize o que você precisa ver. "

As novas descobertas continuam um esforço de longa data dos membros do Departamento de Teoria do PPPL que se concentra na compreensão do chilrear, especialmente dentro do PPPL's ​​National Spherical Tokamak Experiment-Upgrade (NSTX-U). "Se você entende isso, "diz White, "você pode encontrar maneiras de operar instalações de fusão sem ele."