O núcleo de um reator de fusão é incrivelmente quente. O hidrogênio que inevitavelmente escapa dele deve ser resfriado em seu caminho para a parede, caso contrário, a parede do reator seria danificada. Pesquisadores do instituto holandês DIFFER e do Swiss Plasma Center da EPFL desenvolveram um método estrito de medição e controle para o resfriamento de partículas muito quentes que escapam dos plasmas de fusão.

A energia de fusão é uma fonte de energia sustentável promissora. Em um reator de fusão, plasma de hidrogênio extremamente quente é mantido suspenso por campos magnéticos. Contudo, sempre há uma fração que escapa. Para evitar que danifique o vaso do reator, o hidrogênio escapado deve ser resfriado em seu caminho para a parede.

O resfriamento pode ser obtido de várias maneiras, como por meio da injeção de um gás. "Mas se você injetar muito gás adicional, o plasma é resfriado com muita força, o que reduz o desempenho, "diz Christian Theiler (Swiss Plasma Center, EPFL), co-autor de um estudo publicado em Nature Communications . Portanto, é necessário gerenciar constantemente o resfriamento até o ponto em que o reator possa lidar adequadamente. Matthijs van Berkel (DIFFER):"A capacidade de controlar o resfriamento com precisão é explicitamente declarada no programa de fusão europeu (EUROfusion) como um passo necessário para a energia de fusão. É fantástico que possamos contribuir para isso agora." No Nature Communications , os autores descrevem como resfriar as partículas que escapam de uma maneira rápida e controlada com um sistema de controle de feedback inovador. Os experimentos foram realizados no tokamak TCV, uma máquina de pesquisa de fusão no Swiss Plasma Center da EPFL.

"Vamos do estudo ao controle. Isso é vital para o futuro dos reatores de fusão, "diz o primeiro autor Timo Ravensbergen (DIFFER)." Nós medimos, calcular, e controle com velocidade incrível. "

Um sistema fechado

O hidrogênio que escapa é levado pelo escapamento do reator. "Esse escapamento é chamado de divertor, onde as perdas de calor do plasma são capturadas. O processo de forte resfriamento nas proximidades do divertor é denominado descolamento do divertor. Reduz a temperatura e a pressão do plasma perto da parede. Os físicos de fusão já têm muita experiência com esse processo, mas isso é parcialmente baseado na intuição e nas experiências de medições anteriores. Agora as coisas serão feitas de forma diferente. “Desenvolvemos um sistema fechado, "diz Van Berkel, líder do grupo Sistemas e controle de energia. "Combinamos muitas técnicas diferentes, é isso que o torna único. Nossa abordagem de engenharia de sistemas pode ser aplicada a outros reatores de fusão. "Os experimentos são uma prova de princípio. Van Berkel pensa que o método será - com ajustes - aplicável nos grandes reatores de fusão ITER e DEMO.

Passo a passo

Os pesquisadores utilizaram o sistema de câmeras MANTIS do tokamak TCV para esta pesquisa. Este sistema multiespectral avançado de banda estreita Tokamak foi desenvolvido pela DIFFER, EPFL e MIT. Os pesquisadores adaptaram o sistema de forma que as imagens da câmera fossem convertidas em dados a partir dos quais um modelo de computador pudesse calcular em tempo real o resfriamento ideal em condições variadas. Tudo isso ocorreu com uma precisão considerável:o status do plasma é determinado 800 vezes por segundo.

Um novo algoritmo de processamento de imagem em tempo real, desenvolvido na DIFFER, analisa as imagens MANTIS. O algoritmo calcula quanto você precisa para resfriar, e subsequentemente controla as válvulas de gás automaticamente. Finalmente, os pesquisadores produziram um modelo do sistema analisando, mais uma vez com a câmera, como o plasma responde ao gás introduzido. "Com este modelo, determinamos a relação dinâmica entre o controle da válvula de gás e a frente de calor, "diz Van Berkel.

Resultado rápido:testado no tokamak TCV da EPFL

O sistema foi testado no tokamak TCV. “É um dispositivo muito flexível, onde as ideias podem ser desenvolvidas e testadas rapidamente, "enfatiza Theiler. Van Berkel concorda:" TCV é uma máquina fantástica para testar técnicas de controle, com um sistema de controle em tempo real hipermoderno. "Van Berkel diz que os resultados vieram rápido:" Em apenas quatro experimentos, conseguimos obter o controle de feed-back do plasma perto do divertor. Isso demonstra que nossa abordagem sistemática funciona. "

Pesquisa futura

Uma proposta de pesquisa de acompanhamento já foi preparada. Os pesquisadores usaram apenas uma câmera MANTIS, enquanto o sistema tem dez. Os pesquisadores querem usar as outras câmeras também, para que eles possam controlar o processo com ainda mais precisão, e para controlar processos-chave adicionais no divertor.

Fusão:grande potencial energético

Fusão, a reação nuclear que alimenta o Sol, tem um alto potencial de energia, é seguro e amigo do ambiente. A pesquisa neste campo é impulsionada pelo reator internacional ITER. Enquanto a gigantesca máquina de pesquisa está sendo montada na França, cientistas de todo o mundo estão trabalhando nas próximas etapas:produzir reações de fusão em larga escala dentro dele. A fusão ocorre quando núcleos de átomos leves são aquecidos a cem milhões de graus, formando um gás de partículas carregadas chamado plasma.