Os cientistas têm lutado durante anos para explicar o curioso circuito dentro dos takamaks, máquinas em forma de donut projetadas para um dia produzir eletricidade através da fusão de átomos. Dentro desses dispositivos, o plasma superaquecido é mantido no lugar por campos magnéticos. Algumas dessas partículas eventualmente saem do núcleo e viajam para um sistema de exaustão denominado desviador.
Quando as partículas chegam ao desviador, elas atingem as placas metálicas, esfriam e ricocheteiam. (O retorno dos átomos ajuda a alimentar a reação de fusão.) No entanto, os experimentos continuam encontrando desequilíbrios inesperados. Muito mais partículas atingiram o alvo interno do desviador do que o alvo externo.
Esta distribuição desigual é mais do que uma mera curiosidade. Isto tem sérias implicações para futuros reatores de fusão. Os engenheiros precisam saber exatamente onde as partículas cairão para projetar defletores que possam suportar o calor e o estresse intensos. Até agora, a principal explicação centrou-se nos desvios de campo cruzado, que descrevem como as partículas se movem lateralmente através das linhas do campo magnético no desviador. Mas as simulações que incluíram apenas este efeito não conseguiram reproduzir o que as experiências mostraram, levantando dúvidas sobre se os modelos podem orientar de forma confiável o projeto do reator.
A rotação do plasma é o fator que falta
Um novo estudo revelou uma peça-chave do quebra-cabeça. Os cientistas descobriram que a rotação toroidal, o movimento do plasma enquanto ele gira em torno do tokamak, afeta muito o local onde as partículas vão parar no sistema de escapamento.
Usando o código de simulação SOLPS-ITER, os pesquisadores modelaram o comportamento das partículas sob diversas condições. Seus resultados, publicados em Revisão de planilhas físicasmostraram que as simulações correspondiam às medições do mundo real apenas quando a rotação do plasma era incluída junto com os desvios de campo cruzado. Este alinhamento de modelos e experimentos é essencial para o desenvolvimento de sistemas de fusão que possam operar de forma confiável fora do laboratório.
“Existem dois componentes fluindo no plasma”, disse Eric Emdy, físico pesquisador do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e principal autor do estudo. “Existe fluxo cruzado, quando as partículas se deslocam lateralmente ao longo das linhas do campo magnético, e fluxo paralelo, quando se movem ao longo dessas linhas. Muitas pessoas disseram que a assimetria é criada pelo fluxo cruzado. Este artigo mostra que o fluxo paralelo impulsionado por uma haste rotativa tem o mesmo significado.”
As simulações finalmente correspondem à realidade
Para testar a ideia, a equipe simulou o comportamento do plasma no tokamak DIII-D na Califórnia. Eles executaram quatro cenários diferentes, incluindo e excluindo desvios de campo cruzado e rotação de plasma. Os resultados foram óbvios. Nenhuma das simulações correspondeu aos dados experimentais até que um ingrediente importante foi adicionado: uma velocidade medida de rotação do núcleo de 88,4 quilômetros por segundo.
Quando ambos os efeitos foram incluídos, os modelos reproduziram com precisão a distribuição não uniforme de partículas observada em experimentos reais. O efeito combinado da deriva lateral e da rotação pareceu ser muito mais forte do que qualquer um dos fatores isoladamente.
Projetando sistemas Fusion para ambientes do mundo real
As descobertas destacam uma conexão importante entre o núcleo rotativo do plasma e o comportamento das partículas na fronteira do sistema. Capturar com precisão essa relação será importante para prever como as partículas dos gases de exaustão se movem em reatores futuros.
Melhores previsões significam melhor técnica. Com uma melhor compreensão de onde o calor e as partículas se concentrarão, os projetistas podem criar desviadores mais robustos e mais adequados às condições operacionais do mundo real.
Além de Emdy, a equipe de pesquisa incluiu Laszlo Horvath, Alessandra Bortalon, George Wilkie e Sean Huskey do PPPL; Raul Gueru Miguelanes, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts; e Florian Lagner, da Universidade Estadual da Carolina do Norte.
Este trabalho foi apoiado pelo Escritório de Energia Nuclear do Departamento de Energia usando o DIII-D National Fusion Facility, uma instalação de usuário do Escritório de Ciência do Departamento de Energia, sob os prêmios DE-AC02-09CH11466, DE-FC02-04ER54698, DE-SC0024523, DE-SC0014264 e DE-SC0019130.
