A criação de calor a partir de reações de fusão requer a manipulação cuidadosa das propriedades do plasma, o quarto estado da matéria eletricamente carregado que constitui 99% do universo visível.



Agora, cientistas do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) terminaram de construir um novo instrumento de medição de plasma, ou diagnóstico, que poderia auxiliar nesse esforço, ajudando a aumentar o calor das reações de fusão em instalações conhecidas como tokamaks e melhorar potencialmente a produção de energia de futuras centrais de fusão.

Conhecido como ALPACA, o diagnóstico observa a luz emitida por um halo de átomos neutros que circunda o plasma dentro do DIII-D, um dispositivo em forma de donut conhecido como tokamak operado para o DOE pela General Atomics em San Diego.

Ao estudar esta luz, os cientistas podem obter informações sobre a densidade dos átomos neutros que poderiam ajudá-los a manter o plasma quente e aumentar a quantidade de energia gerada pelas reações de fusão. Cientistas de todo o mundo estão a tentar aproveitar na Terra as reacções de fusão que alimentam as estrelas para gerar electricidade sem produzir gases com efeito de estufa ou resíduos radioactivos de longa vida.

ALPACA ajuda os cientistas a estudar um processo conhecido como abastecimento. Durante este processo, nuvens de átomos neutros de densidades variadas ao redor do plasma se dividem em elétrons e íons e entram no plasma.

"Estamos interessados ​​em abastecer porque a densidade do átomo neutro pode aumentar a densidade das partículas plasmáticas, e a densidade do plasma afeta o número de reações de fusão", disse Laszlo Horvath, físico do PPPL estacionado no DIII-D que ajudou a coordenar a montagem e instalação do ALPACA.

"Se pudermos aumentar a densidade do plasma, poderemos ter mais reações de fusão, que geram mais energia de fusão. É exatamente isso que queremos ter nas futuras usinas de fusão."

Os átomos de hidrogênio envolvidos neste tipo de abastecimento vêm de três fontes. A primeira são as baforadas originais de gás hidrogênio que os cientistas usaram para iniciar o plasma. A segunda é a combinação de elétrons e núcleos nas regiões mais frias da câmara para formar átomos inteiros. A terceira é o vazamento de átomos de hidrogênio do material que compõe as superfícies internas da câmara, onde às vezes ficam presos durante as operações do tokamak.

Semelhante a uma câmera pinhole, a ALPACA de quase 60 centímetros de comprimento coleta luz de plasma que possui uma propriedade específica conhecida como comprimento de onda Lyman-alfa. Os pesquisadores podem calcular a densidade dos átomos neutros medindo o brilho da luz.

Anteriormente, os cientistas inferiram a densidade a partir de medições efectuadas por outros instrumentos, mas os dados têm sido difíceis de interpretar. ALPACA é um dos primeiros diagnósticos projetados especificamente para coletar luz de plasma na frequência Lyman-alfa, portanto seus dados são muito mais claros.

Os cientistas querem aumentar a sua compreensão sobre o abastecimento para que possam controlá-lo. Com controle sobre o abastecimento, os cientistas poderiam tornar as reações de fusão nos tokamaks mais eficientes e aumentar a quantidade de calor que eles produzem.

O aumento do calor é importante porque quanto mais quente o plasma, mais eletricidade uma usina baseada em tokamak poderia gerar. Este projeto é outro exemplo da experiência de classe mundial da PPPL em engenharia e diagnóstico de plasma.

ALPACA é, na verdade, um de dois diagnósticos. Seu gêmeo é chamado de “LLAMA”, que significa “aparelho de medição Lyman-alpha”. Os dois diagnósticos se complementam, pois enquanto o LLAMA observa as regiões interna e externa da parte inferior do tokamak, o ALPACA observa as regiões interna e externa da parte superior.

"Precisamos de ambos os dispositivos porque, embora saibamos que átomos neutros rodeiam o plasma, o número de átomos neutros varia de lugar para lugar, por isso não sabemos exatamente onde eles se acumulam", disse Alessandro Bortolon, principal físico pesquisador do PPPL que dirige o Colaboração do PPPL com o General Atomics DIII-D National Fusion Facility em San Diego.

"Por causa disso, e porque não podemos extrapolar a partir de medições únicas, temos que medir em vários locais."

Como todos os diagnósticos, o ALPACA serve um propósito crucial. “Quando realizamos experimentos em máquinas como o DIII-D, precisamos entender o que está acontecendo dentro do dispositivo, especialmente se quisermos aumentar seu desempenho”, disse Horvath.

"Mas como o plasma está a 100 milhões de graus Celsius, não podemos simplesmente usar um termômetro de forno ou qualquer coisa convencional. Eles simplesmente derreteriam. Os diagnósticos nos dão conhecimento sobre o que de outra forma seria uma caixa preta."

O design da ALPACA incorporou a impressão 3D, técnica que permitiu a integração de uma câmara oca dentro da estrutura principal para conduítes de resfriamento. “Não haveria nenhuma maneira de usinar esta peça de outra forma”, disse David Mauzey, sênior da Universidade Estadual de San Diego e associado técnico do PPPL. Mauzey também liderou os aspectos de engenharia mecânica do projeto ALPACA.

“Este é o primeiro grande projeto para o qual cuidei da maior parte da engenharia mecânica”, disse Mauzey. "Houve desafios — descobrir o posicionamento dos componentes ópticos, por exemplo — mas o processo foi divertido."

O ALPACA foi projetado e construído exclusivamente pela PPPL, embora o sistema completo, composto por ALPACA e LLAMA, seja operado pela PPPL e pelo Massachusetts Institute of Technology em colaboração. Contribuições significativas também foram feitas por Alexander Nagy, vice-chefe de pesquisa externa DIII-D do PPPL, e Florian Laggner, professor assistente de engenharia nuclear na Universidade Estadual da Carolina do Norte.

ALPACA está atualmente sendo testado. Assim que o DIII-D retomar as operações este mês, após um período de manutenção, o ALPACA começará a fazer medições reais.

Fornecido pelo Laboratório de Física de Plasma de Princeton