Físicos da EPFL, dentro de uma grande colaboração europeia, revisaram uma das leis fundamentais que foram fundamentais para a pesquisa de plasma e fusão por mais de três décadas, até mesmo governando o design de megaprojetos como o ITER. A atualização mostra que podemos usar com segurança mais combustível de hidrogênio em reatores de fusão e, portanto, obter mais energia do que se pensava anteriormente.
A fusão é uma das fontes mais promissoras de energia do futuro. Envolve dois núcleos atômicos que se combinam em um, liberando enormes quantidades de energia. Na verdade, experimentamos a fusão todos os dias:o calor do sol vem dos núcleos de hidrogênio que se fundem em átomos de hélio mais pesados.

Atualmente existe um megaprojeto internacional de pesquisa em fusão chamado ITER, que visa replicar os processos de fusão do sol para criar energia na Terra. Seu objetivo é a criação de plasma de alta temperatura que forneça o ambiente certo para que a fusão ocorra, produzindo energia.

Os plasmas – um estado ionizado da matéria semelhante a um gás – são compostos de núcleos carregados positivamente e elétrons carregados negativamente, e são quase um milhão de vezes menos densos que o ar que respiramos. Os plasmas são criados submetendo "o combustível de fusão" - átomos de hidrogênio - a temperaturas extremamente altas (10 vezes a do núcleo do sol), forçando os elétrons a se separarem de seus núcleos atômicos. O processo ocorre dentro de uma estrutura em forma de donut ("toroidal") chamada "tokamak".

"Para criar plasma para fusão, você deve considerar três coisas:alta temperatura, alta densidade de combustível de hidrogênio e bom confinamento", diz Paolo Ricci, do Swiss Plasma Center, um dos principais institutos de pesquisa em fusão do mundo, localizado em EPFL.

Trabalhando em uma grande colaboração europeia, a equipe de Ricci lançou agora um estudo atualizando um princípio fundamental da geração de plasma – e mostrando que o próximo tokamak ITER pode realmente operar com o dobro da quantidade de hidrogênio e, portanto, gerar mais energia de fusão do que se pensava anteriormente.

"Uma das limitações em fazer plasma dentro de um tokamak é a quantidade de combustível de hidrogênio que você pode injetar nele", diz Ricci. "Desde os primeiros dias da fusão, sabemos que se você tentar aumentar a densidade do combustível, em algum momento haverá o que chamamos de 'interrupção' - basicamente você perde totalmente o confinamento, e o plasma vai para qualquer lugar. nos anos oitenta, as pessoas estavam tentando criar algum tipo de lei que pudesse prever a densidade máxima de hidrogênio que você pode colocar dentro de um tokamak."

A resposta veio em 1988, quando o cientista de fusão Martin Greenwald publicou uma famosa lei que correlaciona a densidade do combustível ao raio menor do tokamak (o raio do círculo interno do donut) e à corrente que flui no plasma dentro do tokamak. Desde então, o "limite de Greenwald" tem sido um princípio fundamental da pesquisa de fusão; na verdade, a estratégia de construção de tokamak do ITER é baseada nele.

"Greenwald derivou a lei empiricamente, ou seja, completamente a partir de dados experimentais - não uma teoria testada, ou o que chamaríamos de 'primeiros princípios'", explica Ricci. "Ainda assim, o limite funcionou muito bem para a pesquisa. E, em alguns casos, como o DEMO (sucessor do ITER), essa equação constitui um grande limite para sua operação porque diz que você não pode aumentar a densidade do combustível acima de um determinado nível."

Trabalhando com outras equipes tokamak, o Swiss Plasma Center, projetou um experimento onde era possível usar tecnologia altamente sofisticada para controlar com precisão a quantidade de combustível injetada em um tokamak. Os experimentos massivos foram realizados nos maiores tokamaks do mundo, o Joint European Torus (JET) no Reino Unido, bem como o ASDEX Upgrade na Alemanha (Max Plank Institute) e o próprio tokamak TCV da EPFL. Este grande esforço experimental foi viabilizado pelo EUROfusion Consortium, a organização europeia que coordena a pesquisa de fusão na Europa e da qual a EPFL agora participa através do Instituto Max Planck de Física de Plasma na Alemanha.

Ao mesmo tempo, Maurizio Giacomin, Ph.D. estudante do grupo de Ricci, começou a analisar os processos físicos que limitam a densidade em tokamaks, a fim de derivar uma lei de primeiros princípios que possa correlacionar densidade de combustível e tamanho de tokamak. Parte disso, porém, envolveu o uso de simulação avançada do plasma realizada com um modelo de computador.

"As simulações exploram alguns dos maiores computadores do mundo, como os disponibilizados pelo CSCS, o Centro Nacional Suíço de Supercomputação e pelo EUROfusion", diz Ricci. “E o que descobrimos, através de nossas simulações, foi que, à medida que você adiciona mais combustível ao plasma, partes dele se movem da camada fria externa do tokamak, o limite, de volta ao seu núcleo, porque o plasma se torna mais turbulento. , ao contrário de um fio de cobre elétrico, que se torna mais resistente quando aquecido, os plasmas se tornam mais resistentes quando esfriam. para que a corrente flua no plasma, possivelmente levando a uma interrupção."

Isso foi um desafio para simular. "A turbulência em um fluido é, na verdade, a questão em aberto mais importante na física clássica", diz Ricci. "Mas a turbulência em um plasma é ainda mais complicada porque você também tem campos eletromagnéticos."

No final, Ricci e seus colegas conseguiram decifrar o código e colocar "caneta no papel" para derivar uma nova equação para o limite de combustível em um tokamak, que se alinha muito bem com os experimentos. Publicado em Cartas de Revisão Física , faz jus ao limite de Greenwald, por estar próximo dele, mas o atualiza de maneira significativa.

A nova equação postula que o limite de Greenwald pode ser aumentado quase duas vezes em termos de combustível no ITER; isso significa que tokamaks como o ITER podem realmente usar quase o dobro da quantidade de combustível para produzir plasmas sem preocupações com interrupções. "Isso é importante porque mostra que a densidade que você pode alcançar em um tokamak aumenta com a potência necessária para executá-lo", diz Ricci. "Na verdade, o DEMO operará com uma potência muito maior do que os tokamaks atuais e o ITER, o que significa que você pode adicionar mais densidade de combustível sem limitar a produção, em contraste com a lei de Greenwald. E isso é uma notícia muito boa." + Explorar mais

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