Pesquisadores do Departamento de Energia dos EUA (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) descobriram que a atualização de um modelo matemático para incluir uma propriedade física conhecida como resistividade pode levar ao design aprimorado de instalações de fusão em forma de rosquinha conhecidas como tokamaks.
"A resistividade é a propriedade de qualquer substância que inibe o fluxo de eletricidade", disse o físico do PPPL Nathaniel Ferraro, um dos pesquisadores colaboradores. "É como a viscosidade de um fluido, que inibe as coisas que se movem através dele. Por exemplo, uma pedra se move mais lentamente pelo melaço do que pela água, e mais lentamente pela água do que pelo ar."

Os cientistas descobriram uma nova maneira pela qual a resistividade pode causar instabilidades na borda do plasma, onde as temperaturas e as pressões aumentam acentuadamente. Ao incorporar a resistividade em modelos que preveem o comportamento do plasma, uma sopa de elétrons e núcleos atômicos que compõe 99% do universo visível, os cientistas podem projetar sistemas para futuras instalações de fusão que tornem o plasma mais estável.

"Queremos usar esse conhecimento para descobrir como desenvolver um modelo que nos permita conectar certas características do plasma e prever se o plasma será estável antes de realmente fazermos um experimento", disse Andreas Kleiner, físico do PPPL que foi o autor principal de um artigo relatando os resultados em Nuclear Fusion . "Basicamente, nesta pesquisa, vimos que a resistividade é importante e nossos modelos devem incluí-la", disse ele.

A fusão, o poder que impulsiona o sol e as estrelas, combina elementos leves na forma de plasma – o estado quente e carregado da matéria composto de elétrons livres e núcleos atômicos – e gera enormes quantidades de energia. Os cientistas procuram aproveitar a fusão na Terra para um suprimento praticamente inesgotável de energia para gerar eletricidade.

Os cientistas querem que o plasma seja estável porque as instabilidades podem levar a erupções de plasma conhecidas como modos localizados na borda (ELMs) que podem danificar os componentes internos do tokamak ao longo do tempo, exigindo que esses componentes sejam substituídos com mais frequência. Futuros reatores de fusão terão que funcionar sem parar para reparos, no entanto, por meses a fio.

"Precisamos ter confiança de que o plasma nessas instalações futuras será estável sem ter que construir protótipos em grande escala, o que é proibitivamente caro e demorado", disse Ferraro. "No caso de modos localizados na borda e alguns outros fenômenos, a falha na estabilização do plasma pode levar a danos ou redução da vida útil dos componentes nessas instalações, por isso é muito importante acertar."

Os físicos usam um modelo de computador conhecido como EPED para prever o comportamento do plasma em tokamaks convencionais, mas as previsões produzidas pelo código para uma variedade de máquinas de plasma conhecidas como tokamaks esféricos nem sempre são precisas. Os físicos estão estudando tokamaks esféricos, instalações compactas como o National Spherical Tokamak Experiment-Upgrade (NSTX-U) no PPPL que se assemelham a maçãs sem caroço, como um possível projeto para uma planta piloto de fusão.

Usando os computadores de alta potência do National Energy Research Scientific Computing Center, uma instalação de usuários do DOE Office of Science no Lawrence Berkeley National Laboratory em Berkeley, Califórnia, Kleiner e a equipe tentaram adicionar resistividade a um modelo de plasma e descobriram que as previsões começaram a corresponder. observações.

"Andreas examinou os dados de várias descargas de plasma anteriores e descobriu que os efeitos resistivos eram muito importantes", disse Rajesh Maingi, chefe do Departamento de Ciências Experimentais de Tokamak do PPPL. "Os experimentos mostraram que esses efeitos provavelmente estavam causando os ELMs que estávamos vendo. O modelo aprimorado poderia nos mostrar como alterar os perfis de plasma em futuras instalações para se livrar dos ELMs."

Usar esses tipos de modelos de computador é um procedimento padrão que permite aos físicos prever o que o plasma fará em futuras máquinas de fusão e projetar essas máquinas para fazer o plasma se comportar de maneira a tornar a fusão mais provável. "Basically, a model is a set of mathematical equations that describes plasma behavior," Ferraro said.

"And all models incorporate assumptions. Some models, like the one used in this research, describe the plasma as a fluid. In general, you can't have a model that includes all of physics in it. It would be too hard to solve. You want a model that is simple enough to calculate but complete enough to capture the phenomenon you are interested in. Andreas found that resistivity is one of the physical effects that we should include in our models," he continued.

This research builds on past computations conducted by Kleiner and others. It adds to those findings by analyzing more discharges produced by NSTX, the machine preceding NSTX-U, and investigating scenarios when ELMs do not occur. The research also helped the scientists determine that instabilities caused by resistivity are driven by plasma current, not pressure.

Future research will focus on determining why resistivity produces these types of instabilities in spherical tokamaks. "We do not yet know which property causes the resistive modes at the plasma edge to appear. It might be a result of the spherical torus geometry, the lithium that coats the insides of some facilities, or the plasma's elongated shape," Kleiner said. "But this needs to be confirmed with further simulations." + Explorar mais

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