Os físicos são como as abelhas - eles podem fazer polinização cruzada, pegar ideias de uma área e usá-las para desenvolver inovações em outras áreas. Cientistas do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) transferiram uma técnica de um reino da física de plasma para outro para permitir o projeto mais eficiente de ímãs poderosos para instalações de fusão em formato de donut conhecidas como tokamaks. Esses ímãs confinam e controlam o plasma, o quarto estado da matéria que constitui 99% do universo visível e alimenta as reações de fusão.

Projetar esses ímãs não é simples, especialmente quando eles devem ser moldados com precisão para criar complexos, campos magnéticos tridimensionais para controlar as instabilidades do plasma. Portanto, é apropriado que a nova técnica venha de cientistas que projetam stellarators, Dispositivos de fusão em forma de cruller que requerem tais ímãs cuidadosamente construídos. Em outras palavras, os cientistas do PPPL estão usando um código de computador estelar para visualizar a forma e a força dos ímãs tokamak retorcidos que podem estabilizar os plasmas tokamak e sobreviver às condições extremas esperadas em um reator de fusão.

Essa percepção pode facilitar a construção de instalações de fusão tokamak que trazem a energia do sol e das estrelas para a Terra. "No passado, foi uma jornada de descoberta, "disse Nik Logan, um físico do Laboratório Nacional Lawrence Livermore do DOE que liderou a pesquisa enquanto estava no PPPL. "Você teve que construir algo, teste-o , e usar os dados para aprender como projetar o próximo experimento. Agora podemos usar essas novas ferramentas computacionais para projetar esses ímãs com mais facilidade, usando princípios adquiridos em anos de pesquisa científica. "Os resultados foram relatados em um artigo publicado em Fusão nuclear .

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 gera grandes quantidades de energia. Os cientistas estão tentando replicar a fusão na Terra para um suprimento virtualmente inesgotável de energia para gerar eletricidade.

As descobertas podem ajudar na construção de tokamaks ao compensar a imprecisão que ocorre quando uma máquina é traduzida de um projeto teórico para um objeto da vida real, ou aplicando campos magnéticos 3D precisamente controlados para suprimir instabilidades de plasma. "A realidade de construir qualquer coisa é que não é perfeito, "Logan disse." Tem pequenas irregularidades. Os ímãs que estamos projetando usando essa técnica estelar podem corrigir algumas das irregularidades que ocorrem nos campos magnéticos e controlar as instabilidades.

Logan e seus colegas também aprenderam que esses ímãs podem agir no plasma mesmo quando colocados a uma distância relativamente grande de até vários metros das paredes do tokamak. "Essa é uma boa notícia porque quanto mais próximos os ímãs estão do plasma, mais difícil é projetá-los para atender às condições adversas perto de reatores de fusão, "Logan disse." Quanto mais equipamentos podemos colocar à distância do tokamak, o melhor."

A técnica se baseia no FOCUS, um código de computador criado principalmente pelo físico PPPL Caoxiang Zhu, um cientista de otimização estelar, para projetar ímãs complicados para instalações stellarator. "Quando eu estava construindo o FOCUS pela primeira vez como bolsista de pós-doutorado no PPPL, Nik Logan parou na minha apresentação de pôster em uma conferência da American Physical Society, "Zhu disse." Mais tarde, conversamos e percebemos que havia uma oportunidade de aplicar o código FOCUS a projetos de tokamak. "

A colaboração entre diferentes subcampos é emocionante. "Estou feliz em ver que meu código pode ser estendido a uma ampla gama de experimentos, "Zhu observou." Eu acho que esta é uma bela conexão entre os mundos tokamak e stellarator. "

Embora por muito tempo a instalação de fusão número dois atrás dos tokamaks, stellarators estão se tornando mais amplamente usados ​​porque tendem a criar plasmas estáveis. Tokamaks são atualmente a primeira escolha para um projeto de reator de fusão, mas seus plasmas podem desenvolver instabilidades que podem danificar os componentes internos de um reator.

Atualmente, Os pesquisadores do PPPL estão usando essa nova técnica para projetar e atualizar ímãs para vários tokamaks em todo o mundo. A lista inclui COMPASS-U, um tokamak operado pela Academia de Ciências Tcheca; e a instalação de Pesquisa Avançada de Tokamak de Supercondução da Coreia (KSTAR).

“É um artigo muito prático com aplicações práticas, e com certeza temos alguns compradores, "Logan disse." Acho que os resultados serão úteis para o futuro do design de tokamak. "