Elevação de LTX-β. A casca é visível, com as lacunas toroidais internas e externas indicadas, bem como um dos dois cortes poloidais (os dois cortes poloidais estão separados por 180°). As bobinas de campo poloidal, exceto o sistema de bobina Ohmica, são codificadas por cores como azul, amarelo, vermelho, verde, etc. Crédito:Nuclear Fusion (2024). DOI:10.1088/1741-4326/ad2ca7 Quanto combustível podemos adicionar ao fogo enquanto mantemos o controle? Falando metaforicamente, essa é a pergunta que uma equipe do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA tem se perguntado ultimamente.
Agora, eles acreditam ter a resposta para um cenário específico. Tudo faz parte do trabalho do Laboratório para trazer energia da fusão para a rede elétrica.
Com base em descobertas recentes que mostram a promessa de revestir a superfície interna do recipiente contendo um plasma de fusão em lítio líquido, os pesquisadores determinaram a densidade máxima de partículas neutras ou sem carga na borda de um plasma antes que a borda do plasma esfrie e certas instabilidades tornam-se imprevisíveis.
Conhecer a densidade máxima das partículas neutras na borda de um plasma de fusão é importante porque dá aos pesquisadores uma noção de como e quanto alimentar a reação de fusão.
A pesquisa, que é apresentada em um novo artigo na Nuclear Fusion, inclui observações, simulações numéricas e análises de seus experimentos dentro de um recipiente de plasma de fusão chamado Lithium Tokamak Experiment-Beta (LTX-β).
O ambiente único do LTX-β
O LTX-β é um dos muitos vasos de fusão ao redor do mundo que mantém o plasma em formato de rosca usando campos magnéticos. Esses navios são conhecidos como tokamaks. O que torna este tokamak especial é que suas paredes internas podem ser revestidas, quase totalmente, com lítio. Isto muda fundamentalmente o comportamento da parede, uma vez que o lítio retém uma percentagem muito elevada dos átomos de hidrogénio que saem do plasma.
Sem o lítio, muito mais hidrogênio ricochetearia nas paredes e voltaria para o plasma. No início de 2024, a equipe de pesquisa relatou que esse ambiente de baixa reciclagem de hidrogênio mantém a borda do plasma quente, tornando o plasma mais estável e proporcionando espaço para um volume maior de plasma.
“Estamos tentando mostrar que uma parede de lítio pode permitir um reator de fusão menor, o que se traduzirá em uma densidade de potência mais alta”, disse Richard Majeski, principal físico de pesquisa do PPPL e chefe do LTX-β. Em última análise, esta investigação poderá traduzir-se na fonte de energia de fusão económica de que o mundo necessita.
Agora, a equipe do LTX-β publicou descobertas adicionais mostrando a relação entre o combustível do plasma e sua estabilidade. Especificamente, os pesquisadores descobriram a densidade máxima de partículas neutras na borda do plasma dentro do LTX-β antes que a borda comece a esfriar, levando potencialmente a problemas de estabilidade.
Os pesquisadores acreditam que podem reduzir a probabilidade de certas instabilidades mantendo a densidade na borda do plasma abaixo do nível recém-definido de 1 x 10
19
m
–3
. Esta é a primeira vez que tal nível foi estabelecido para LTX-β, e saber que é um grande passo em sua missão de provar que o lítio é a escolha ideal para um revestimento de parede interna em um tokamak porque os orienta em direção às melhores práticas para alimentar seus plasmas.
No LTX-β, a fusão é alimentada de duas maneiras:usando baforadas de gás hidrogênio da borda e um feixe de partículas neutras. Os pesquisadores estão refinando a forma de usar os dois métodos em conjunto para criar um plasma ideal que sustentará a fusão por um longo tempo em futuros reatores de fusão, ao mesmo tempo que gera energia suficiente para torná-lo prático para a rede elétrica.
Refinando métodos para manter uma temperatura uniforme no plasma
Os físicos comparam frequentemente a temperatura no seu limite com a temperatura central para avaliar quão fácil será geri-la. Eles traçam esses números em um gráfico e consideram a inclinação da reta. Se a temperatura no núcleo interno e na borda externa for quase a mesma, a linha será quase plana, por isso eles chamam isso de perfil de temperatura plano. Se a temperatura na borda externa for significativamente mais baixa do que a temperatura no núcleo interno, os cientistas chamam isso de perfil de temperatura de pico.
"A equipe determinou a densidade máxima de partículas neutras além da borda de um plasma que ainda permite um perfil de temperatura de borda plana. Ir além desse número de neutros na borda definitivamente diminuirá a temperatura da borda e você terminará em um perfil de temperatura de pico", disse Santanu Banerjee, físico pesquisador do PPPL e autor principal do novo artigo.
"Essa mesma densidade neutra é o limite para instabilidades conhecidas como modos de ruptura. Além dessa densidade, os modos de ruptura tendem a ficar desestabilizados, causam ameaças ao plasma e podem interromper a reação de fusão se não forem controlados."
Se as instabilidades se tornarem muito grandes, a reação de fusão terminará. Para apoiar a rede elétrica, os pesquisadores estão descobrindo as melhores maneiras de gerenciar um plasma de fusão para que a reação seja estável.
Banerjee e Majeski trabalharam com vários outros pesquisadores no artigo, incluindo Dennis Boyle do PPPL, Anurag Maan, Nate Ferraro, George Wilkie, Mario Podesta e Ron Bell.
O trabalho no projeto continua. O engenheiro do PPPL, Dylan Corl, está otimizando a direção em que o feixe neutro, usado para aquecer o plasma, é injetado no tokamak. “Estamos basicamente criando uma nova porta para isso”, disse Corl. Ele usa um modelo 3D do LTX-β, testando diferentes trajetórias do feixe para garantir que o feixe não atinja outra parte do equipamento, como ferramentas usadas para medir o plasma. “Encontrar o melhor ângulo tem sido um desafio, mas acredito que agora o conseguimos”, disse Corl.
