A modelagem de triangularidade negativa no tokamak DIII-D (esquerda) produziu plasmas sem instabilidades observadas para triangularidades inferiores a aproximadamente -0,15, mesmo com alto poder de aquecimento e desempenho central (direita). Crédito:A.O. Nelson et al., Evitação robusta de modos localizados em bordas juntamente com a formação de gradiente na borda Tokamak de triangularidade negativa. Cartas de revisão física 131, 195101 (2023). Para se tornarem comercialmente viáveis, as centrais de fusão devem criar e manter as condições de plasma necessárias para as reações de fusão. No entanto, a altas temperaturas e densidades, os plasmas desenvolvem frequentemente gradientes nessas temperaturas e densidades. Esses gradientes podem evoluir para instabilidades, como modos localizados em bordas (ELMs).
Os ELMs ocorrem na borda do plasma e têm o potencial de danificar a parede próxima do reator. Uma característica que pode afetar os ELMs é a forma da seção transversal do plasma.
Os pesquisadores usam o termo triangularidade do plasma para descrever o quanto a forma do plasma se desvia de uma forma oval. A maioria dos plasmas estudados possuem triangularidade positiva, o que significa que possuem uma seção transversal em forma de D com a porção vertical do “D” próxima ao poste central do tokamak.
Em pesquisas recentes, os cientistas estudaram a triangularidade negativa, a forma inversa com a parte vertical próxima à parede externa. Sabe-se que plasmas de triangularidade negativa exibem alguma autorregulação de gradientes. Através de uma extensa análise de dados do programa DIII-D National Fusion Facility, os investigadores mostraram que esta formação era inerentemente livre de instabilidades em várias condições de plasma. O trabalho está publicado na revista Physical Review Letters .
Esta pesquisa mostrou que os plasmas de triangularidade negativa estão livres de instabilidades potencialmente prejudiciais na região da borda do plasma, sem sacrificar o desempenho da fusão. Isto sugere que a modelagem da triangularidade negativa estabiliza as instabilidades na borda do plasma.
Ao mesmo tempo, ele atinge o alto desempenho central e as condições de borda necessárias para atingir as condições de queima de plasma que as futuras usinas de energia de fusão precisarão. Este resultado sugere que a modelagem de triangularidade negativa pode ser uma abordagem ideal para o projeto de usinas de fusão.
Experimentos realizados com o tokamak DIII-D National Fusion Facility exploraram o uso de modelagem de triangularidade negativa para limitar o desenvolvimento de ELMs altamente instáveis e energéticos. O trabalho fez parte de uma colaboração mais ampla sobre triangularidade negativa que incluiu quase todas as instituições que realizam pesquisas em fusão nos Estados Unidos.
Embora os ELMs sejam comuns nas condições de plasma de alto desempenho relevantes para usinas de fusão, o estudo descobriu que a modelagem da triangularidade negativa limitou o desenvolvimento de gradientes de temperatura e pressão que podem se transformar em ELMs na borda do plasma.
Notavelmente, os plasmas com forte triangularidade negativa (menos de -0,15) não mostraram quaisquer instabilidades, mesmo com o alto poder de aquecimento e desempenho do núcleo que normalmente causam ELMs. A análise aprofundada de um extenso conjunto de dados DIII-D representando uma variedade de condições, incluindo o alto desempenho do núcleo e a compatibilidade de borda necessária para reatores de fusão, mostrou consistentemente essa natureza livre de ELM.
Este trabalho foi possibilitado pelo diagnóstico abrangente e de alta fidelidade do tokamak DIII-D, e melhorias na modelagem ajudaram a apoiar as conclusões que mostram maior estabilidade em toda a gama ampliada de condições.
Além disso, esta estabilidade inerente foi mais robusta do que a supressão de ELM alcançada com outras abordagens, tais como perturbações magnéticas ressonantes para suprimir ELMs ou operação num regime livre de ELM. Assim, a formação de triangularidade negativa tem o potencial de limitar as instabilidades de plasma prejudiciais e de alta energia que são atualmente um grande desafio no projeto de usinas de fusão. Isto indica que a abordagem da triangularidade negativa justifica uma investigação mais aprofundada para aplicação no projeto de usinas de fusão.
