Trazer o poder do sol para a Terra requer uma teoria sólida, boa engenharia, e um pouco de sutileza. O processo envolve trapping carregado, gás ultra-quente conhecido como plasma, para que suas partículas possam se fundir e liberar enormes quantidades de energia. As instalações mais amplamente utilizadas para este processo são tokamaks em forma de donut que mantêm o plasma no lugar com ímãs fortes que são precisamente moldados e posicionados. Mas erros na formação ou colocação desses ímãs podem levar a um confinamento pobre e perda de plasma, desligando reações de fusão.

Agora, um grupo internacional de pesquisadores liderados por físicos do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) desenvolveu uma técnica que prevê como os tokamaks podem responder a esses erros magnéticos indesejados. Essas previsões podem ajudar os engenheiros a projetar instalações de fusão que criem com eficiência um suprimento virtualmente inesgotável de energia de fusão limpa e segura para gerar eletricidade.

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 reproduzir e controlar esse processo na Terra.

A equipe formulou uma regra conhecida como lei de escala que ajuda a inferir as propriedades de tokamaks futuros a partir de dispositivos atuais. A lei é derivada em grande parte de três anos de experimentos no DIII-D National Fusion Facility que a General Atomics opera para o DOE em San Diego. Os pesquisadores também se basearam em um banco de dados de efeitos de campo de erro mantido pelo grupo International Tokamak Physics Activity do ITER, que coordena a pesquisa de fusão em todo o mundo.

Agora, os dados de dispositivos adicionais com uma variedade de tamanhos são necessários para aumentar a confiança na extrapolação da lei de escala para prever quão grandes podem ser os campos de erro antes de interromper no ITER, o tokamak multinacional sendo construído na França para demonstrar a viabilidade da energia de fusão.

Formação de campos de erro

Irregularidades na formação ou colocação dos ímãs de um tokamak podem produzir campos de erro que desencadeiam uma interrupção no plasma, fazendo com que ele escape repentinamente dos campos magnéticos e libere muita energia. "A questão é quão grande um campo de erro ITER pode tolerar sem interromper, "disse Nikolas Logan, Físico do PPPL e autor principal de um artigo relatando os resultados em Fusão nuclear . "Queremos evitar interrupções no ITER porque eles podem interferir nas reações de fusão e danificar as paredes."

Como o ITER está em construção, os pesquisadores usaram um mash-up de dois códigos de computador para modelar os efeitos dos campos de erro em plasmas para tokamaks na Coreia do Sul, China, o Reino Unido, e outros países, reforçando os erros até que os plasmas se rompessem. Os pesquisadores esperavam encontrar padrões que lhes permitissem formular uma regra simples que ajudasse a fazer conjecturas sobre futuras interrupções do campo de erro em tokamaks em construção.

Os códigos combinados modelaram o plasma com mais precisão do que cada código individual poderia fazer sozinho. O código TM1 desenvolvido pelo Instituto Max Planck de Física do Plasma da Alemanha resolve equações que modelam o comportamento caótico do plasma em formas de cilindro, enquanto o código de equilíbrio ideal perturbado (IPEC) desenvolvido no PPPL modela o plasma em forma de tokamak. "Combinando esses códigos, fomos capazes de simular uma ampla gama de condições que podem ocorrer em uma variedade de dispositivos, incluindo ITER, "disse o físico do PPPL Qiming Hu, um dos autores do artigo. "É importante obter previsões precisas para o ITER porque nenhuma máquina atual tem esse tamanho."

"Este trabalho amplia nosso conhecimento sobre os efeitos dos campos de erro em dispositivos de fusão, "disse Raffi Nazikian, chefe do departamento de ITER e Tokamak da PPPL. "A combinação de análise numérica e experimental fornece uma base convincente para avaliar a importância dos campos de erro no ITER e em reatores futuros."

Próximos passos

Logan e Hu esperam reunir mais informações de experimentos de tokamak para tornar a lei de escala mais precisa, permitindo que ele preveja o desempenho do plasma nas regiões central e de borda do plasma. "Este não é um papel de campainha de alarme, ", disse Logan." Isso apenas ajuda os físicos e engenheiros a saber com que cuidado precisam considerar os campos de erro em potencial antes de colocar muita potência no ITER. "

Colaboradores incluíram pesquisadores da General Atomics, o Instituto de Física do Plasma da Academia Tcheca de Ciências, o Instituto de Física do Plasma da Academia Chinesa de Ciências, Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Ulsan da Coreia, o Culham Center of Fusion Energy do Reino Unido, Consorzio RFX da Itália, Instituto Max Planck de Física do Plasma da Alemanha, e o Centro de Ciência e Fusão de Plasma do Instituto de Tecnologia de Massachusetts.