O paradoxo surpreendeu os cientistas do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) há mais de uma dúzia de anos. Quanto mais calor eles irradiavam para um tokamak esférico, uma instalação magnética projetada para reproduzir a energia de fusão que alimenta o sol e as estrelas, menos aumentava a temperatura central.
Grande mistério

"Normalmente, quanto mais potência de feixe você coloca, mais alta a temperatura fica", disse Stephen Jardin, chefe do grupo de teoria e ciência computacional que realizou os cálculos e principal autor de uma explicação proposta publicada em Physical Review Letters . "Então isso foi um grande mistério:por que isso acontece?"

Resolver o mistério pode contribuir para os esforços em todo o mundo para criar e controlar a fusão na Terra para produzir uma fonte praticamente inesgotável de energia segura, limpa e livre de carbono para gerar eletricidade enquanto combate as mudanças climáticas. A fusão combina elementos leves na forma de plasma para liberar grandes quantidades de energia.

Por meio de recentes simulações de computador de alta resolução, Jardin e colegas mostraram o que pode fazer com que a temperatura permaneça estável ou mesmo diminua no centro do plasma que alimenta as reações de fusão, mesmo quando mais potência de aquecimento é irradiada. o plasma até o ponto em que o plasma se torna instável e o movimento do plasma achata a temperatura, eles descobriram.

"Essas simulações provavelmente explicam uma observação experimental feita há mais de 12 anos", disse Jardin. "Os resultados indicam que, ao projetar e operar experimentos de tokamak esféricos, deve-se tomar cuidado para garantir que a pressão do plasma não exceda certos valores críticos em determinados locais da [instalação]", disse ele. "E agora temos uma maneira de quantificar esses valores por meio de simulações de computador."

As descobertas destacam um obstáculo importante para os pesquisadores evitarem ao tentar reproduzir reações de fusão em tokamaks esféricos – dispositivos em forma de maçãs sem caroço do que tokamaks convencionais em forma de rosquinha mais amplamente utilizados. Dispositivos esféricos produzem campos magnéticos econômicos e são candidatos a se tornarem modelos para uma usina piloto de fusão.

Os pesquisadores simularam experimentos anteriores no National Spherical Torus Experiment (NSTX), a principal instalação de fusão do PPPL que foi atualizada desde então e onde o comportamento intrigante do plasma foi observado. Os resultados foram em grande parte paralelos aos encontrados nos experimentos NSTX.

"Através do NSTX obtivemos os dados e através de um programa DOE chamado SciDAC [Scientific Discovery through Advanced Computing] desenvolvemos o código de computador que usamos", disse Jardin.

O físico e co-autor Nate Ferraro, do PPPL, disse:"O programa SciDAC foi absolutamente fundamental no desenvolvimento do código".

Mecanismo descoberto

O mecanismo descoberto fez com que a pressão elevada em certos locais quebrasse as superfícies magnéticas aninhadas formadas pelos campos magnéticos que envolvem o tokamak para confinar o plasma. A separação achatou a temperatura dos elétrons dentro do plasma e, assim, manteve a temperatura no centro do gás quente e carregado de subir para níveis relevantes para a fusão.

"Então, o que pensamos agora é que, ao aumentar a potência do feixe injetado, você também aumenta a pressão do plasma e chega a um certo ponto em que a pressão começa a destruir as superfícies magnéticas próximas ao centro do tokamak", disse Jardin, " e é por isso que a temperatura para de subir."

Esse mecanismo pode ser geral em tokamaks esféricos, disse ele, e a possível destruição de superfícies deve ser levada em consideração quando futuros tokamaks esféricos forem planejados.

Jardin planeja continuar investigando o processo para entender melhor a destruição de superfícies magnéticas e por que parece mais provável em tokamaks esféricos do que convencionais. Ele também foi convidado a apresentar suas descobertas na reunião anual da American Physical Society-Division of Plasma Physics (APS-DPP) em outubro, onde cientistas em início de carreira poderiam ser recrutados para abordar a questão e detalhar os mecanismo proposto. + Explorar mais

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