Imagine um avião que só pode subir a uma ou duas altitudes após a decolagem. Essa limitação seria semelhante à situação enfrentada pelos cientistas que procuram evitar instabilidades que restringem o caminho para limpar, energia de fusão segura e abundante em instalações tokamak em forma de rosca. Pesquisadores do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) e General Atomics (GA) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) publicaram agora uma explicação inovadora sobre essa restrição de tokamak e como ela pode ser superada.

Toroidal, ou em forma de donut, tokamaks são propensos a explosões intensas de calor e partículas, chamados modos localizados de borda (ELMs). Esses ELMs podem danificar as paredes do reator e devem ser controlados para desenvolver energia de fusão confiável. Felizmente, os cientistas aprenderam a domar esses ELMs aplicando campos magnéticos ondulados em espiral à superfície do plasma que alimenta as reações de fusão. Contudo, a domesticação de ELMs requer condições muito específicas que limitam a flexibilidade operacional dos reatores tokamak.

Supressão de ELM

Agora, pesquisadores do PPPL e GA desenvolveram um modelo que, pela primeira vez, reproduz com precisão as condições para supressão de ELM no DIII-D National Fusion Facility que GA opera para DOE. O modelo prevê as condições sob as quais a supressão de ELM deve se estender por uma faixa mais ampla de condições de operação no tokamak do que se pensava ser possível. O trabalho apresenta previsões importantes sobre como otimizar a eficácia da supressão de ELM em ITER, o enorme dispositivo de fusão internacional em construção no sul da França para demonstrar a viabilidade da energia de fusão.

Fusão, o poder que impulsiona o sol e as estrelas, combina 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. Tokamaks são os dispositivos mais amplamente usados ​​por cientistas que buscam replicar a fusão como uma fonte renovável, fonte sem carbono de energia virtualmente ilimitada para a geração de eletricidade.

Os físicos do PPPL Qiming Hu e Raffi Nazikian são os principais autores de um artigo que descreve o modelo em Cartas de revisão física . Eles observam que, em condições normais, o campo magnético ondulado só pode suprimir ELMs para valores muito precisos da corrente do plasma que produz os campos magnéticos que confinam o plasma. Isso cria um problema porque os reatores tokamak devem operar em uma ampla faixa de corrente de plasma para explorar e otimizar as condições necessárias para gerar energia de fusão.

Modificando ondulações magnéticas

Os autores mostram como, modificando a estrutura das ondulações magnéticas helicoidais aplicadas ao plasma, ELMs devem ser eliminados em uma faixa mais ampla de corrente de plasma com geração aprimorada de energia de fusão. Hu disse acreditar que as descobertas podem fornecer ao ITER a ampla flexibilidade operacional necessária para demonstrar a praticidade da energia de fusão. "Este modelo pode ter implicações significativas para a supressão de ELMs no ITER, " ele disse.

De fato, "O que fizemos foi prever com precisão quando podemos alcançar a supressão de ELM em faixas mais amplas da corrente de plasma, "disse Nazikian, que supervisiona a pesquisa do PPPL em tokamaks. "Ao tentar entender alguns resultados estranhos que vimos no DIII-D, descobrimos a física chave que controla a faixa de supressão de ELM que pode ser alcançada usando esses campos magnéticos ondulados helicoidalmente. Em seguida, voltamos e descobrimos um método que pudesse produzir janelas operacionais mais amplas de supressão de ELM de forma mais rotineira em DIII-D e ITER. "

Operação de tokamak aprimorada

As descobertas abrem as portas para uma operação aprimorada de tokamak. "Este trabalho descreve um caminho para expandir o espaço operacional para controlar a instabilidade de borda em tokamaks, modificando a estrutura das ondulações, "disse Carlos Paz-Soldan, um cientista da GA e co-autor do artigo. "Estamos ansiosos para testar essas previsões com nossas bobinas de campo atualizadas que estão planejadas para DIII-D em alguns anos."

Voltando à analogia da aeronave, "Se você pudesse voar em apenas uma ou duas altitudes diferentes, viagens seriam muito limitadas, "disse o físico do PPPL Brian Grierson, um co-autor do artigo. "Consertar a restrição permitiria ao avião voar sobre uma ampla gama de altitudes, a fim de otimizar sua trajetória de vôo e cumprir sua missão." Do mesmo jeito, o presente artigo apresenta uma abordagem prevista para expandir as capacidades dos reatores de fusão para operar sem ELMs que podem danificar as instalações e impedir o desenvolvimento de tokamaks para energia de fusão.