Os cientistas descobriram uma nova maneira de evitar que bolhas magnéticas incômodas no plasma interfiram nas reações de fusão - oferecendo uma maneira potencial de melhorar o desempenho dos dispositivos de energia de fusão. E isso vem do gerenciamento de ondas de radiofrequência (RF) para estabilizar as bolhas magnéticas, que pode expandir e criar interrupções que podem limitar o desempenho do ITER, a instalação internacional em construção na França para demonstrar a viabilidade da energia de fusão.

Ilhas magnéticas

Pesquisadores do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) desenvolveram o novo modelo para controlar essas bolhas magnéticas, ou ilhas. O novo método modifica a técnica padrão de depositar continuamente raios de rádio (RF) no plasma para estabilizar as ilhas - uma técnica que se mostra ineficiente quando a largura de uma ilha é pequena em comparação com o tamanho característico da região sobre a qual os raios RF são depositados seu poder.

Esta região denota o "comprimento de amortecimento, "a área sobre a qual a potência de RF normalmente seria depositada na ausência de qualquer feedback não linear. A eficácia da potência de RF pode ser bastante reduzida quando o tamanho da região é maior do que a largura da ilha - uma condição chamada" baixo -amortecimento "- pois grande parte da energia vaza da ilha.

Tokamaks, instalações de fusão em formato de donut que podem enfrentar tais problemas, são os dispositivos mais amplamente usados ​​por cientistas de todo o mundo que procuram produzir e controlar reações de fusão para fornecer um suprimento virtualmente inesgotável de energia limpa e segura para gerar eletricidade. Essas reações combinam elementos leves na forma de plasma - o estado da matéria composto de elétrons livres e núcleos atômicos que compõe 99% do universo visível - para gerar as enormes quantidades de energia que impulsionam o sol e as estrelas.

Superando o problema

O novo modelo prevê que depositar os raios em pulsos, em vez de fluxos de estado estacionário, pode superar o problema de vazamento, disse Suying Jin, um estudante de pós-graduação no Programa de Princeton em Física do Plasma baseado no PPPL e autor principal de um artigo que descreve o método em Física dos Plasmas . "A pulsação também pode alcançar maior estabilização em casos de alto amortecimento para a mesma potência média, " ela disse.

Para que esse processo funcione, "a pulsação deve ser feita a uma taxa que não seja nem muito rápida nem muito lenta, "disse ela." Este ponto ideal deve ser consistente com a taxa de dissipação de calor da ilha através da difusão. "

O novo modelo baseia-se no trabalho anterior dos coautores e consultores de Jin, Allan Reiman, um distinto pesquisador do PPPL, e o professor Nat Fisch, diretor do Programa de Física dos Plasmas da Universidade de Princeton e diretor associado para assuntos acadêmicos do PPPL. Sua pesquisa fornece a estrutura não linear para o estudo da deposição de energia de RF para estabilizar ilhas magnéticas.

"O significado do trabalho de Suying, "Reiman disse, "é que ele expande consideravelmente as ferramentas que podem ser utilizadas no que agora é reconhecido como talvez o principal problema que enfrenta a fusão econômica usando a abordagem tokamak. Os tokamaks são atormentados por essas ilhas instáveis ​​que surgem naturalmente, que levam à perda súbita e desastrosa do plasma. "

Fisch adicionado:"O trabalho de Suying não apenas sugere novas metodologias de controle; sua identificação desses efeitos recém-previstos pode nos forçar a reavaliar descobertas experimentais anteriores nas quais esses efeitos podem ter desempenhado um papel não apreciado. Seu trabalho agora motiva experimentos específicos que poderiam esclarecer os mecanismos em jogo e apontam exatamente a melhor forma de controlar essas instabilidades desastrosas. "

Modelo original

O modelo original de deposição RF mostrou que aumenta a temperatura e direciona a corrente no centro de uma ilha para evitar que cresça. O feedback não linear é ativado entre a deposição de energia e as mudanças na temperatura da ilha, o que permite uma estabilização bastante aprimorada. O controle dessas mudanças de temperatura é a difusão do calor do plasma na borda da ilha.

Contudo, em regimes de alto amortecimento, onde o comprimento de amortecimento é menor que o tamanho da ilha, esse mesmo efeito não linear pode criar um problema chamado "sombreamento" durante a deposição em estado estacionário que faz com que o raio de RF fique sem energia antes de atingir o centro da ilha.

"Primeiro, examinamos esquemas de RF pulsado para resolver o problema de sombreamento, "Jin disse." No entanto, descobriu-se que, em regimes de alto amortecimento, o feedback não linear realmente faz com que a pulsação exacerbe o sombreamento, e o raio fica sem energia ainda mais cedo. Então, invertemos o problema e descobrimos que o efeito não linear pode causar pulsação para reduzir o vazamento de energia para fora da ilha em cenários de baixo amortecimento. "

Essas tendências previstas se prestam naturalmente à verificação experimental, Jin disse. "Tais experimentos, "ela notou, "teria como objetivo mostrar que pulsar aumenta a temperatura de uma ilha até que a estabilização ideal do plasma seja alcançada."