Stellarators, dispositivos magnéticos sinuosos que visam aproveitar na Terra a energia de fusão que alimenta o sol e as estrelas, há muito tempo fica em segundo plano em relação às instalações em formato de rosca mais amplamente utilizadas, conhecidas como tokamaks. Os complexos magnetos estelares torcidos têm sido difíceis de projetar e anteriormente permitiam maior vazamento do calor superalto das reações de fusão.

Agora cientistas do Instituto Max Planck de Física do Plasma (IPP), trabalhando em colaboração com pesquisadores que incluem o Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE), mostraram que o dispositivo Wendelstein 7-X (W7-X) em Greifswald, Alemanha, o maior e mais avançado stellarator do mundo, é capaz de confinar o calor que atinge temperaturas duas vezes maiores que o centro do sol.

Indicador chave

Um instrumento de diagnóstico chamado XICS, principalmente projetado, construído e operado pelo físico do PPPL Novimir Pablant em colaboração com o físico do IPP Andreas Langenberg, é um indicador chave de uma redução acentuada de um tipo de perda de calor chamado "transporte neoclássico" que tem sido historicamente maior em stellarators clássicos do que em tokamaks. Causando o transporte problemático, estão as colisões frequentes que arrancam as partículas aquecidas de suas órbitas à medida que giram em torno das linhas do campo magnético que as confinam. Contribuindo para o transporte estão os desvios nas órbitas das partículas.

Um relatório recente sobre as descobertas W7-X em Natureza A revista confirma o sucesso dos esforços dos designers para moldar os imãs stellarator intrincadamente torcidos para reduzir o transporte neoclássico. O primeiro autor do artigo foi o físico Craig Beidler, da Divisão de Teoria do IPP. "É uma notícia realmente empolgante para a fusão que este projeto foi bem-sucedido, "disse Pablant, um co-autor junto com Langenberg do jornal. "Isso mostra claramente que esse tipo de otimização pode ser feito."

David Gates, chefe do Departamento de Projetos Avançados do PPPL que supervisiona o trabalho estelar do laboratório, também estava muito entusiasmado. "Tem sido muito emocionante para nós, no PPPL e em todas as outras instituições colaboradoras dos EUA, para fazer parte deste experimento realmente emocionante, "Disse Gates." O trabalho de Novi tem estado bem no centro do esforço desta incrível equipe experimental. Estou muito grato aos nossos colegas alemães por permitirem tão gentilmente nossa participação. "

Energia livre de carbono

A fusão que os cientistas procuram produzir combina elementos leves na forma de plasma - o quente, estado carregado de matéria composta de elétrons livres e núcleos atômicos, ou íons, isso representa 99 por cento do universo visível - para gerar grandes quantidades de energia. A produção de fusão controlada na Terra criaria um suprimento virtualmente inesgotável de produtos seguros, limpar, e fonte de energia livre de carbono para gerar eletricidade para a humanidade e servir como um dos principais contribuintes para a transição dos combustíveis fósseis.

Stellarators, construído pela primeira vez na década de 1950 pelo fundador do PPPL, Lyman Spitzer, pode operar em um estado estacionário com pouco risco de interrupções de plasma que os tokamaks enfrentam. Contudo, sua complexidade e histórico de confinamento de calor relativamente pobre os impediram. Um dos principais objetivos do design otimizado do W7-X, que produziu seu primeiro plasma em 2015, foi demonstrar a adequação de um stellarator otimizado como uma eventual usina de fusão.

Os resultados obtidos pelo XICS demonstram temperaturas de íons quentes que não poderiam ter sido alcançadas sem uma redução acentuada no transporte neoclássico. Essas medições também foram feitas pelo diagnóstico CXRS construído e operado pelo IPP, que eram considerados um pouco mais precisos, mas não podiam ser feitos em todas as condições. Os perfis finais de temperatura no Natureza O relatório foi retirado do CXRS e apoiado por medições com XICS em plasmas semelhantes.

'Extremamente valioso'

"Sem o XICS provavelmente não teríamos descoberto este regime [de bom confinamento], "disse Robert Wolf, chefe da divisão de aquecimento e operação do W7-X e co-autor do artigo. "Precisávamos de uma medição de temperatura de íons prontamente disponível e isso era extremamente valioso."

Os pesquisadores realizaram um experimento mental para verificar o papel que a otimização desempenhou nos resultados do confinamento. O experimento descobriu que em um stellarator não otimizado, o grande transporte neoclássico teria tornado as altas temperaturas registradas no W7-X para a potência de aquecimento dada impossíveis. "Isso mostrou que a forma otimizada de W7-X reduziu o transporte neoclássico e foi necessária para o desempenho visto em experimentos W7-X, "Pablant disse." Foi uma forma de mostrar a importância da otimização. "

Os resultados marcam um passo para permitir que stellarators baseados no projeto W7-X levem a um reator de fusão prático, ele adicionou. “Mas reduzir o transporte neoclássico não é a única coisa que você precisa fazer. Há uma série de outras metas que precisam ser mostradas, incluindo o funcionamento estável e a redução do transporte turbulento. ”O transporte turbulento produz ondulações e redemoinhos que percorrem o plasma como a segunda principal fonte de perda de calor.

O W7-X será reaberto em 2022 após uma atualização de três anos para instalar um sistema de refrigeração a água que irá prolongar os experimentos de fusão e um divertor aprimorado que irá exaurir o calor de alto desempenho. As atualizações permitirão a próxima etapa na investigação dos pesquisadores do W7-X sobre o valor dos stellarators otimizados para se tornarem projetos para usinas de energia.