Físicos do Departamento de Energia dos EUA (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) propuseram a fonte do colapso repentino e intrigante de calor que precede interrupções que podem danificar as instalações de fusão tokamak em forma de rosquinha. Lidar com a fonte pode superar um dos desafios mais críticos que as futuras instalações de fusão enfrentarão e aproximar da realidade a produção na Terra da energia de fusão que impulsiona o sol e as estrelas.
Os pesquisadores traçaram o colapso para a desordem 3D dos fortes campos magnéticos que engarrafam o gás de plasma quente e carregado que alimenta as reações. "Nós propusemos uma nova maneira de entender as linhas de campo [desordenadas], que geralmente eram ignoradas ou mal modeladas nos estudos anteriores", disse Min-Gu Yoo, pesquisador de pós-doutorado no PPPL e principal autor de um estudo Physics de Plasmas papel selecionado como escolha do editor junto com uma figura colocada na capa da edição de julho. Desde então, Yoo se tornou um cientista da equipe da General Atomics em San Diego.

Os fortes campos magnéticos substituem nas instalações de fusão a imensa gravidade que mantém as reações de fusão nos corpos celestes. Mas quando desordenado pela instabilidade do plasma em experimentos de laboratório, as linhas de campo permitem que o calor do plasma superquente escape rapidamente do confinamento. Esse calor de um milhão de graus esmaga as partículas de plasma para liberar energia de fusão e pode atingir e danificar as paredes das instalações de fusão quando liberadas do confinamento.

“No caso de grande interrupção, as linhas de campo se tornam totalmente [desordenadas] como espaguete e se conectam rapidamente à parede com comprimentos muito diferentes”, disse o principal físico de pesquisa Weixing Wang, consultor do PPPL de Yoo e coautor do artigo. "Isso traz uma enorme energia térmica de plasma contra a parede."

A fusão combina elementos leves na forma de plasma – o estado quente e carregado da matéria composto de elétrons livres e núcleos atômicos – que gera grandes quantidades de energia. O plasma contém elétrons livres e núcleos atômicos, ou íons, e compreende 99% do universo visível. Cientistas de todo o mundo estão procurando capturar e controlar o processo de fusão na Terra para criar uma fonte de energia limpa, livre de carbono e praticamente inesgotável para gerar eletricidade.

Montes e vales

O que não era conhecido anteriormente era a forma 3D, ou topologia, das linhas de campo desordenadas causadas pela instabilidade turbulenta. A topologia forma pequenas colinas e vales, explica Yoo, deixando algumas partículas presas em vales e incapazes de escapar do confinamento, enquanto outras rolam pelas colinas e impactam as paredes da instalação.

“A existência dessas colinas é responsável pelo rápido colapso da temperatura, o chamado resfriamento térmico, pois permitem que mais partículas escapem para a parede do tokamak”, disse Yoo. "O que mostramos no artigo é como desenhar um bom mapa para entender a topologia das linhas de campo. Sem colinas magnéticas, a maioria dos elétrons teria sido aprisionada e não poderia produzir a extinção térmica observada em experimentos."

Os cientistas do PPPL simularam a topologia de têmpera térmica como uma estrutura 3D complexa, em vez de uma estrutura 1D simples, como havia sido retratada. Ao fazer isso, os pesquisadores evitaram simplificações comuns que poderiam enganar a física.

O que tornou a topologia difícil de entender foi a interação complexa entre os campos elétrico e magnético dentro da instalação, disse Yoo. Os pesquisadores do PPPL desvendaram a interação usando o código GTS do Laboratório, que simula o efeito da instabilidade turbulenta no movimento das partículas. O código revelou que o campo elétrico produzido nas instalações atua para chutar partículas entre linhas de campo magnético estocástico tipo espaguete e, em seguida, facilita o movimento de partículas presas ao longo das linhas de campo que dão origem à têmpera térmica.

"Esta pesquisa fornece novos insights físicos sobre como o plasma perde sua energia em direção à parede quando há linhas de campo magnético abertas", disse Yoo. “O novo entendimento seria útil para encontrar maneiras inovadoras de mitigar ou evitar quenchs térmicos e interrupções de plasma no futuro”. + Explorar mais

Código atualizado revela uma fonte de interrupções de fusão prejudiciais