Cientistas do Departamento de Energia dos EUA (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) refinaram o uso de campos magnéticos para melhorar o desempenho de instalações de fusão em forma de rosquinha conhecidas como tokamaks. A técnica aprimorada protege as peças internas contra danos causados ​​por instabilidades chamadas "modos localizados na borda" (ELMs) e permite que os tokamaks operem por mais tempo sem pausa.
"Nosso principal resultado é que mostramos que nossa técnica pode suprimir ELMs enquanto maximiza o desempenho do plasma", disse Ricardo Shousha, estudante de pós-graduação do grupo de controle de plasma do Departamento de Engenharia Mecânica e Aeroespacial da Universidade de Princeton, afiliado ao PPPL. Shousha é o autor principal de um artigo relatando os resultados em Física de Plasmas .

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 – que gera enormes quantidades de energia. Os cientistas estão procurando replicar a fusão na Terra para um suprimento virtualmente inesgotável de energia para gerar eletricidade.

Os pesquisadores usaram as instalações da Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) para estudar as condições sob as quais o centro do plasma se torna especialmente quente e denso. Esse estado desejável, conhecido como modo H, pode ocorrer quando há uma separação acentuada entre o centro e a borda mais fria; os cientistas querem que o plasma esteja no modo H porque produz reações de fusão mais eficientes. Mas como a temperatura e a densidade das duas regiões são drasticamente diferentes, as instabilidades ELM se formam ao longo da fronteira, assim como as tempestades podem se formar onde as frentes quentes e frias se encontram. Essas instabilidades podem causar jatos semelhantes a erupções solares, gigantescos arrotos de plasma que irrompem da superfície do sol.

Quando esses eventos ocorrem em tokamaks, eles podem danificar as paredes internas e os componentes, exigindo que a máquina seja desligada para reparos. O risco é ainda maior para o ITER, o tokamak multinacional que está sendo construído em Cadarache, na França, para provar a viabilidade da fusão como uma fonte de energia em larga escala e livre de carbono, já que esse dispositivo criará plasma com muito mais calor e energia do que plasmas tokamak atuais fazem.

Assim, os físicos têm um dilema. Eles querem que o plasma esteja no modo H, mas o modo H leva a instabilidades que podem danificar o tokamak. Shousha e os outros pesquisadores se concentraram no uso de campos magnéticos para conter as instabilidades, um método descoberto em 2003. Os campos aplicados reduzem as instabilidades, permitindo que as partículas fluam através da fronteira. Mas um efeito colateral é que o plasma esfria e as reações de fusão se tornam menos eficientes.

A equipe de pesquisa abordou esse problema combinando ímãs com um sistema de feedback. A combinação determina o campo magnético mais fraco que pode suprimir os ELMs enquanto minimiza o quanto os campos degradam as condições do modo H. "Essa é a parte nova de nossa pesquisa", disse Shousha.

Os resultados vieram da dedicação dos alunos de pós-graduação aliada a uma rede internacional de pesquisadores e instituições. "Fazer parte do PPPL e da Universidade de Princeton é uma grande oportunidade para estudantes de pós-graduação", disse Egemen Kolemen, professor associado do departamento de engenharia mecânica e aeroespacial da Universidade de Princeton, que tem um compromisso conjunto com o PPPL e é coautor do artigo. "Eles podem fazer experimentos em qualquer lugar do mundo - Estados Unidos, China, Alemanha, Coréia do Sul - e têm a chance de controlar essas máquinas poderosas. E eles se saem muito bem. Contanto que tenham vontade, nós temos o caminho. ."

Os cientistas planejam refinar seu sistema para detectar sinais que anunciam a chegada dos ELMs para que os ímãs possam começar a preveni-los antes que eles surjam. “A ideia é que, se pudermos detectar esses sinais precursores rapidamente, podemos agir antes que o ELM iminente apareça e potencialmente evitá-lo”, disse Shousha. + Explorar mais

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