Um retorno às raízes:Laboratório constrói seu primeiro Stellarator em 50 anos e abre portas para pesquisas em nova física de plasma
Foto do MUSE, o primeiro stellarator construído no PPPL em 50 anos e o primeiro a usar ímãs permanentes. Crédito:Michael Livingston / Departamento de Comunicações do PPPL Pela primeira vez, os cientistas construíram uma experiência de fusão utilizando ímanes permanentes, uma técnica que poderá mostrar uma forma simples de construir futuros dispositivos a um custo menor e permitir aos investigadores testar novos conceitos para futuras centrais de energia de fusão.
Pesquisadores do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) combinaram décadas de experiência em engenharia, computação e física teórica para projetar um novo tipo de stellarator, uma máquina sinuosa que confina o plasma, o quarto estado da matéria eletricamente carregado. , para aproveitar o processo de fusão que alimenta o sol e as estrelas e potencialmente gerar eletricidade limpa.
"Usar ímãs permanentes é uma maneira completamente nova de projetar estelares", disse Tony Qian, estudante de graduação do Programa Princeton em Física de Plasmas, baseado no PPPL. Qian foi o principal autor de artigos publicados no Journal of Plasma Physics e Fusão Nuclear que detalham a teoria e a engenharia por trás do dispositivo, conhecido como MUSE. "Esta técnica nos permite testar rapidamente novas ideias de confinamento de plasma e construir novos dispositivos com facilidade."
Os Stellarators normalmente dependem de eletroímãs complicados que possuem formas complexas e criam seus campos magnéticos através do fluxo de eletricidade. Esses eletroímãs devem ser construídos com precisão e com pouquíssima margem para erros, aumentando seu custo.
No entanto, os ímãs permanentes, como os ímãs que prendem a arte às portas das geladeiras, não precisam de correntes elétricas para criar seus campos. Eles também podem ser encomendados de fornecedores industriais e depois incorporados em um invólucro impresso em 3D ao redor do recipiente de vácuo do dispositivo, que contém o plasma.
"O MUSE é em grande parte construído com peças disponíveis comercialmente", disse Michael Zarnstorff, físico pesquisador sênior do PPPL e investigador principal do projeto. "Ao trabalhar com empresas de impressão 3D e fornecedores de ímãs, podemos pesquisar e comprar a precisão que precisamos, em vez de fabricá-la nós mesmos."
A percepção original de que os ímãs permanentes poderiam ser a base para uma nova variedade de estelares mais acessíveis veio a Zarnstorff em 2014. "Percebi que mesmo que estivessem situados ao lado de outros ímãs, os ímãs permanentes de terras raras poderiam gerar e manter os campos magnéticos necessários confinar o plasma para que as reações de fusão possam ocorrer", disse Zarnstorff, "e essa é a propriedade que faz esta técnica funcionar."
À esquerda:Alguns dos ímanes permanentes que tornam possível o conceito inovador do MUSE. À direita:um close-up da concha impressa em 3D do MUSE. Crédito:Xu Chu / PPPL e Michael Livingston / Departamento de Comunicações do PPPL
Resolvendo um problema de engenharia antigo
Inventados há mais de 70 anos pelo fundador da PPPL, Lyman Spitzer, os stellarators são apenas um conceito para instalações de fusão. Outro é o tokamak em forma de donut ou de maçã, como o National Spherical Torus Experiment-Upgrade da PPPL, que confina o plasma usando ímãs relativamente simples. Durante décadas, este tem sido o design preferido por cientistas de todo o mundo devido à forma como os dispositivos confinam o plasma.
No entanto, os tokamaks também dependem de campos magnéticos criados por correntes elétricas que passam pelo meio do plasma, o que cria instabilidades que interferem nas reações de fusão. No entanto, os Stellarators podem operar sem tais correntes e, portanto, podem funcionar por períodos de tempo indefinidos. Mas os seus ímanes complicados, que são difíceis de conceber e construir, durante anos significaram que os stellarators não eram opções económicas ou práticas para centrais de energia de fusão.
É por isso que o sucesso do MUSE em demonstrar que os stellarators podem operar utilizando ímanes simples é tão importante. "Ímãs estelares típicos são muito difíceis de usinar porque é preciso fazê-lo com muita precisão", disse Amelia Chambliss, estudante de pós-graduação do Departamento de Física Aplicada e Matemática Aplicada da Universidade de Columbia, que ajudou a projetar o MUSE durante um estágio no Laboratório de Graduação em Ciências do DOE no PPPL a alguns anos atrás. "Portanto, a ideia de que podemos usar muitos ímãs discretos para fazer o trabalho é muito interessante. É um problema de engenharia muito mais fácil."
Realizando uma propriedade teórica
Além de ser um avanço de engenharia, o MUSE também exibe uma propriedade teórica conhecida como quase-simetria num grau mais elevado do que qualquer outro estelar até agora. É também o primeiro dispositivo concluído em qualquer lugar do mundo que foi projetado especificamente para ter um tipo de quase-simetria conhecido como quase-simetria.
Concebida pelo físico Allen Boozer do PPPL no início dos anos 1980, a quase-simetria significa que embora a forma do campo magnético dentro do stellarator possa não ser a mesma em torno da forma física do stellarator, a força do campo magnético é uniforme em torno do dispositivo, levando a bom confinamento do plasma e maior probabilidade de ocorrência de reações de fusão. "Na verdade, a otimização de quase-simetria do MUSE é pelo menos 100 vezes melhor do que qualquer stellarator existente," disse Zarnstorff.
“O fato de termos conseguido projetar e construir este Stellarator é uma verdadeira conquista”, disse Qian.
No futuro, a equipe do PPPL planeja realizar uma série de experimentos para determinar a natureza exata da quase-simetria do MUSE e, assim, descobrir até que ponto o dispositivo evita que partículas quentes se movam do núcleo do plasma para a borda, dificultando as reações de fusão. . Os métodos incluirão o mapeamento mais preciso dos campos magnéticos e a medição de como o plasma giratório desacelera, o que depende da quase-simetria do dispositivo.
MUSE demonstra o tipo de inovação possível em um laboratório nacional dos EUA. “Para mim, o mais importante no MUSE é que ele representa uma forma criativa de resolver um problema difícil”, disse Chambliss. "Ele usa muitas abordagens inovadoras e de mente aberta para resolver problemas estelares de longa data. Enquanto a comunidade continuar a pensar desta forma flexível, estaremos em boa forma."
