O modelo de turbulência denominado Gyrokinetic Electromagnetic Numerical Experiment (GENE), desenvolvido no Instituto Max Planck de Física do Plasma (IPP) em Garching, Alemanha, tem se mostrado muito útil para a descrição teórica da turbulência no plasma de dispositivos de fusão do tipo tokamak. Estendido para a geometria mais complexa de dispositivos do tipo stellarator, simulações de computador com GENE agora indicam um novo método para reduzir a turbulência do plasma em plasmas estelares. Isso poderia aumentar significativamente a eficiência de uma futura usina de fusão.

Para os pesquisadores de fusão do IPP, que desejam desenvolver uma usina elétrica baseada no modelo do sol, a formação de turbulência em seu combustível - um plasma de hidrogênio - é um tópico central de pesquisa. Os pequenos redemoinhos transportam partículas e calor para fora do centro do plasma quente e, portanto, reduzem o isolamento térmico do plasma confinado magneticamente. Porque o tamanho e, portanto, o preço da eletricidade de uma futura usina de fusão depende disso, um dos objetivos mais importantes é entender, prever e influenciar este "transporte turbulento".

Uma vez que a descrição computacional exata da turbulência do plasma exigiria a solução de sistemas de equações altamente complexos e a execução de incontáveis ​​etapas computacionais, o processo de desenvolvimento de código visa alcançar simplificações razoáveis. O código GENE desenvolvido no IPP é baseado em um conjunto simplificado, as chamadas equações giroquinéticas. Eles desconsideram todos os fenômenos no plasma que não desempenham um papel importante no transporte turbulento. Embora o esforço computacional possa ser reduzido em muitas ordens de magnitude desta forma, os supercomputadores mais rápidos e poderosos do mundo sempre foram necessários para desenvolver ainda mais o código. Enquanto isso, GENE é capaz de descrever a formação e propagação de pequenos redemoinhos de plasma de baixa frequência no interior do plasma e reproduzir e explicar os resultados experimentais, mas originalmente apenas para os de construção simples, porque os sistemas de fusão axissimétrica do tipo tokamak.

Por exemplo, cálculos com GENE mostraram que os íons rápidos podem reduzir muito o transporte turbulento em plasmas tokamak. Experimentos no tokamak de atualização ASDEX em Garching confirmaram esse resultado. Os íons rápidos necessários foram fornecidos pelo aquecimento do plasma usando ondas de rádio da freqüência do cíclotron de íons.

Um código tokamak para stellarators

Em stellarators, esta supressão de turbulência por íons rápidos não havia sido observada experimentalmente até agora. Contudo, os cálculos mais recentes com GENE agora sugerem que este efeito também deve existir em plasmas estelar:No stellarator Wendelstein 7-X no IPP em Greifswald, isso poderia teoricamente reduzir a turbulência em mais da metade. Como cientistas do IPP Alessandro Di Siena, Alejandro Bañón Navarro e Frank Jenko mostram no jornal Cartas de revisão física , a temperatura ideal do íon depende fortemente da forma do campo magnético.

Professor Frank Jenko, chefe do departamento de Teoria Tokamak no IPP em Garching, diz, "Se este resultado calculado for confirmado em experimentos futuros com Wendelstein 7-X em Greifswald, isso poderia abrir um caminho para plasmas interessantes de alto desempenho. "

A fim de usar GENE para cálculo de turbulência nos plasmas de formas mais complicadas de stellarators, grandes ajustes de código foram necessários. Sem a simetria axial dos tokamaks, é preciso lidar com uma geometria muito mais complexa para stellarators.

Para o professor Per Helander, chefe do departamento de Teoria Stellarator no IPP em Greifswald, as simulações estelares realizadas com GENE são "física muito empolgante". Ele espera que os resultados possam ser verificados no stellarator Wendelstein 7-X em Greifswald. "Se os valores de plasma em Wendelstein 7-X são adequados para tais experimentos, pode ser investigado quando, no próximo período experimental, o sistema de aquecimento por ondas de rádio será colocado em operação além do atual aquecimento de micro-ondas e partículas, "diz o professor Robert Wolf, cujo departamento é responsável pelo aquecimento do plasma.

GENE se torna GENE-3-D

De acordo com Frank Jenko, foi outro "enorme passo" para fazer GENE não apenas aproximadamente, mas totalmente adequado para o complexo, forma tridimensional de stellarators. Após quase cinco anos de trabalho de desenvolvimento, o código GENE-3-D, agora apresentado no Journal of Computational Physics por Maurice Maurer e co-autores, fornece um "cálculo de turbulência rápido e realista também para estelares, "diz Frank Jenko. Em contraste com outros códigos de turbulência estelar, GENE-3-D descreve toda a dinâmica do sistema, ou seja, o movimento turbulento dos íons e também dos elétrons sobre todo o volume interno do plasma, incluindo as flutuações resultantes do campo magnético.