Aproveitar a energia do plasma requer uma compreensão precisa do seu comportamento durante a fusão para mantê-lo quente, denso e estável. Um novo modelo teórico sobre a borda de um plasma, que pode tornar-se instável e inchar, aproxima a perspectiva da energia de fusão comercial da realidade.



“O modelo refina o pensamento sobre a estabilização da borda do plasma para diferentes formatos de tokamak”, disse Jason Parisi, físico pesquisador do PPPL. Parisi é o autor principal de três artigos descrevendo o modelo que foram publicados nas revistas Nuclear Fusion e Física do Plasma . O artigo principal concentra-se em uma parte do plasma chamada pedestal, que está localizada na borda. O pedestal está sujeito a instabilidades porque a temperatura e a pressão do plasma geralmente caem drasticamente nesta área.

O novo modelo é digno de nota porque é o primeiro a corresponder aos comportamentos de pedestal que foram observados no Experimento Nacional de Toro Esférico (NSTX) do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE). Enquanto os tokamaks convencionais têm o formato de donuts, o NSTX é um dos vários tokamaks que têm o formato mais parecido com uma maçã sem caroço. A diferença nas proporções do tokamak impacta o plasma e, como indica o modelo, o pedestal.

Instabilidades crescentes

Parisi, junto com uma equipe de cientistas, explorou os limites dos pedestais e investigou quanta pressão poderia ser aplicada ao plasma dentro de um reator de fusão antes que surgissem instabilidades. Em particular, estudaram perturbações no pedestal chamadas instabilidades de balão:protuberâncias de plasma que se projetam, como a ponta de um longo balão quando espremido.

“O modelo é uma extensão de um modelo que as pessoas usam na área há talvez 10 anos, mas tornamos o cálculo da estabilidade crescente muito mais sofisticado”, disse Parisi.

Para desenvolver o seu modelo, os cientistas analisaram a relação entre as medidas do pedestal – altura e largura – e as instabilidades crescentes. Parisi disse que o novo modelo serviu na primeira tentativa. "Fiquei surpreso com o quão bem funciona. Tentamos quebrar o modelo para garantir que fosse preciso, mas ele se ajusta muito bem aos dados", disse ele.

Expandindo o modelo EPED

O modelo existente, conhecido como EPED, era conhecido por funcionar para tokamaks em forma de donut, mas não para a variedade esférica. “Decidimos tentar e, apenas alterando uma parte do EPED, agora funciona muito bem”, disse Parisi. Os resultados também dão aos pesquisadores uma imagem mais clara do contraste entre os dois designs de tokamak.

“Há certamente uma grande diferença entre o limite de estabilidade para o formato de maçã e o tokamak de formato padrão, e nosso modelo pode agora explicar de alguma forma por que essa diferença existe”, disse ele. As descobertas podem ajudar a minimizar as interrupções no plasma.

Os Tokamaks são projetados para intensificar a pressão e a temperatura do plasma, mas instabilidades podem frustrar esses esforços. Se o plasma se projetar e tocar as paredes do reator, por exemplo, ele poderá corroer as paredes com o tempo.

As instabilidades também podem irradiar energia para longe do plasma. Saber o quão íngreme um pedestal pode ser antes que ocorram instabilidades pode ajudar os pesquisadores a encontrar maneiras de otimizar os plasmas para reações de fusão com base nas proporções do tokamak.

Embora ele tenha acrescentado que ainda não está claro qual formato é mais vantajoso, o modelo sugere outros experimentos que tentariam explorar os aspectos positivos do formato da maçã e ver quantos benefícios eles poderiam proporcionar.

Fundamentalmente, o novo modelo melhora a nossa compreensão dos pedestais e aproxima os cientistas do objetivo maior de projetar um reator de fusão que gere mais energia do que consome.

Medições de forma de plasma e pedestal

O segundo artigo da série de Parisi explora quão bem o modelo EPED se alinha com a altura e largura do pedestal para diferentes formatos de plasma.

"A pressão de fusão do seu núcleo e, portanto, o seu poder, é muito sensível à altura do seu pedestal. E assim, se explorarmos diferentes formas para futuros dispositivos de fusão, definitivamente queremos ter certeza de que nossas previsões funcionam", disse ele. .

Parisi começou com dados antigos de descargas experimentais em NSTX e depois modificou o formato da borda do plasma. Ele descobriu que mudar a forma tinha um efeito muito grande na relação largura/altura do pedestal. Além disso, Parisi descobriu que algumas formas poderiam levar a vários pedestais possíveis – particularmente em tokamaks com formato de NSTX e seu descendente, que está atualmente sendo atualizado, NSTX-U. Isso daria aos que executam uma injeção de fusão a escolha entre, por exemplo, um pedestal íngreme ou raso.

“Quando as pessoas criaram esses modelos de pedestal, estavam tentando prever a largura e a altura do pedestal porque isso pode alterar muito a quantidade de energia de fusão gerada, e queremos ser precisos”, disse Parisi. "Mas a forma como os modelos são construídos neste momento apenas leva em conta a estabilidade do plasma."

Aquecimento, abastecimento e pedestais

Aquecimento e abastecimento são outros fatores importantes e explorados no terceiro artigo de Parisi. Especificamente, Parisi olhou para certos pedestais e determinou a quantidade de aquecimento e combustível necessária para alcançá-lo, dada uma forma de plasma específica. Um pedestal íngreme normalmente requer muito mais aquecimento do que um pedestal raso, por exemplo.

O artigo também considera como um fluxo cisalhado, que ocorre quando partículas adjacentes se movem em diferentes velocidades de fluxo, pode impactar a altura e largura do pedestal. Experimentos anteriores em NSTX descobriram que quando parte do interior do recipiente era revestido com lítio e o cisalhamento do fluxo era forte, o pedestal ficava três a quatro vezes mais largo do que quando nenhum lítio era adicionado.

“Parece ser capaz de permitir que o pedestal continue a crescer”, disse Parisi. "Se você pudesse ter um plasma em um tokamak que fosse todo pedestal, e se os gradientes fossem realmente íngremes, você obteria uma pressão central muito alta e um poder de fusão muito alto."

Compreender as variáveis ​​envolvidas na obtenção de um plasma estável e de alta potência aproxima os investigadores do seu objectivo final de comercializar a energia de fusão.

“Esses três artigos são realmente importantes para a compreensão da física dos tokamaks esféricos e como a pressão do plasma se organiza nesta estrutura onde aumenta acentuadamente na borda e mantém alta pressão no núcleo. Não projetamos dispositivos futuros com segurança, e este trabalho ajuda muito a alcançar essa confiança”, disse o vice-diretor de pesquisa da NSTX-U e coautor dos artigos, Jack Berkery.