Em um plasma em chamas, manter o confinamento dos íons energéticos produzidos pela fusão é essencial para a produção de energia. Esses plasmas de fusão hospedam uma ampla gama de ondas eletromagnéticas que podem expulsar íons energéticos do plasma.



Isto reduz o aquecimento do plasma a partir dos produtos da reação de fusão e encerra o estado de queima do plasma. Medições recentes no DIII-D National Fusion Facility fornecem as primeiras observações diretas de íons energéticos movendo-se através do espaço e da energia em um tokamak.

Os pesquisadores combinaram essas medições com modelos computacionais avançados de ondas eletromagnéticas e como elas interagem com íons energéticos. Os resultados fornecem uma melhor compreensão da interação entre ondas de plasma e íons energéticos em plasmas de fusão.

A física do plasma e a pesquisa em fusão estão passando de instalações experimentais para projetos de demonstração de usinas de energia. Para tornar esta mudança um sucesso, os pesquisadores precisam de simulações precisas e outras ferramentas que prevejam o desempenho dos projetos de usinas de energia. A maioria das instalações atuais não produz plasmas em chamas.

No entanto, os pesquisadores entendem muito da física relevante e estão desenvolvendo simulações para reproduzir o comportamento experimental observado. A pesquisa atual fez novas medições do fluxo energético de íons no tokamak DIII-D. Isto irá acelerar o desenvolvimento de modelos que considerem todas as dinâmicas relevantes de interação onda-íon. Essa compreensão aprimorada também permite a aplicação da engenharia do espaço de fases.

Os pesquisadores podem usar esse processo para projetar novos cenários de plasma de fusão com base nas interações ideais previstas entre ondas e íons. Notavelmente, estas interações também podem prejudicar os satélites, pelo que esta investigação pode ajudar a melhorar a sua fiabilidade.

Pesquisadores do DIII-D National Fusion Facility, uma instalação usuária do Departamento de Energia, usaram as primeiras medições de um novo sistema de diagnóstico, o Imaging Neutral Particle Analyzer (INPA), para observar o fluxo de íons energéticos em um tokamak.

Um esforço de vários anos para conceituar, projetar e construir o INPA proporcionou agora a primeira capacidade de observar esse comportamento. Depois de serem injetados no tokamak por feixes neutros, os íons energéticos interagem com ondas eletromagnéticas de plasma e fluem em energia e posição através do tokamak. As simulações reproduzem o comportamento observado, demonstrando assim a precisão dos modelos de primeiros princípios na descrição da física subjacente.

A melhor compreensão dessas interações onda-partícula é relevante para o projeto de usinas de fusão e para a compreensão do comportamento dos plasmas observados no espaço sideral.

O INPA mede a energia de íons energéticos injetados por feixe neutro, que possuem energias maiores que a do plasma de fundo, ao longo do tempo e da posição espacial, desde o núcleo do plasma quente até a borda do plasma frio, onde os íons podem ser perdidos.

Juntamente com simulações computacionais avançadas de alto desempenho que modelam tanto o espectro de ondas eletromagnéticas quanto as interações com íons energéticos, esses experimentos fornecem a compreensão mais detalhada da interação entre ondas de plasma e íons energéticos em plasmas de fusão.

Essa compreensão aprimorada também permite que os pesquisadores apliquem a engenharia do espaço de fase, um processo no qual eles projetam novos cenários de plasma de fusão com base nas interações ideais previstas entre ondas e íons. Esses tipos de interações ocorrem no espaço sideral.

Por exemplo, ondas de ciclotron de íons eletromagnéticos (EMIC) fazem com que os elétrons fluam através do espaço e da energia. Em alguns casos, os elétrons foram acelerados de tal forma que causaram mau funcionamento nos satélites. A melhor compreensão dos processos de interação onda-partícula ressonante por meio da pesquisa de plasma de fusão contribui para simulações de plasma no espaço sideral, o que poderia melhorar a confiabilidade de futuras missões de satélites.

As descobertas foram publicadas na revista Nuclear Fusion .

Mais informações: XD Du et al, Visualização do fluxo rápido de espaço de fase de íons em plasmas bem abaixo, próximo e bem acima do limiar de estabilidade do modo próprio de Alfvén em tokamak, Nuclear Fusion (2023). DOI:10.1088/1741-4326/acbec5
J. Gonzalez-Martin et al, Modelando o fluxo de íons rápidos induzido pelo modo próprio de Alfvén medido por um analisador de partículas neutras de imagem, Nuclear Fusion (2022). DOI:10.1088/1741-4326/ac7406

Fornecido pelo Departamento de Energia dos EUA