Talento

A inovação traz um dispositivo de energia de fusão mais perto da realização
A descoberta mostra como moldar com mais precisão os campos magnéticos envolventes em stellarators para criar uma capacidade sem precedentes de manter o combustível de fusão unido.
Por John Greenwald - 16/02/2022


A física Emily Paul e Matt Landreman com figuras atrás deles. Crédito: Kiran Sudarsanan

Os cientistas conseguiram um avanço notável no projeto conceitual de estelaradores sinuosos, instalações magnéticas experimentais que poderiam reproduzir na Terra a energia de fusão que alimenta o sol e as estrelas. A descoberta mostra como moldar com mais precisão os campos magnéticos envolventes em stellarators para criar uma capacidade sem precedentes de manter o combustível de fusão unido.

"O principal foi desenvolver um software que permite experimentar rapidamente novos métodos de design", disse Elizabeth Paul, bolsista de pós-doutorado presidencial da Universidade de Princeton no Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA e coautora de um documento que detalha a descoberta em Physical Review Letters . Os resultados produzidos por Paul e o autor principal Matt Landreman, da Universidade de Maryland, podem aumentar a capacidade dos stellarators de colher a fusão para gerar energia elétrica segura e livre de carbono para a humanidade.

Renascimento do Stellarator

Os Stellarators, inventados pelo astrofísico de Princeton e fundador do PPPL, Lyman Spitzer, na década de 1950, há muito estão atrás dos tokamaks no esforço mundial para produzir energia de fusão controlada. Mas os desenvolvimentos recentes que incluem o desempenho impressionante do stellarator Wendelstein 7-X (W7-X) na Alemanha, os extensos resultados do Large Helical Device (LHD) no Japão, os resultados promissores do Helically Symmetric Experiment (HSX) em Madison , Wisconsin, e a proposta de uso de ímãs permanentes simples para substituir bobinas stellarator complexas criaram um renascimento do interesse nas máquinas sinuosas.

A fusão cria uma vasta energia em todo o universo combinando elementos leves na forma de plasma, o estado quente e carregado da matéria composto de elétrons livres e núcleos atômicos, ou íons, que compõem 99% do universo visível. Stellarators poderiam produzir versões de laboratório do processo sem risco de interrupções prejudiciais que as instalações de fusão tokamak mais amplamente usadas enfrentam.

No entanto, os campos magnéticos de torção nos estelaradores têm sido menos eficazes em confinar os caminhos dos íons e elétrons do que os campos simétricos em forma de rosquinha nos tokamaks rotineiramente, causando uma perda grande e sustentada do calor extremo necessário para reunir os íons para liberar energia de fusão. Além disso, as bobinas complexas que produzem os campos estelarator são difíceis de projetar e construir.

A descoberta atual produz o que é chamado de "quasisimetria" em stellarators para quase igualar a capacidade de confinamento dos campos simétricos de um tokamak. Enquanto os cientistas há muito procuram produzir quase-simetria em estelarators retorcidos, a nova pesquisa desenvolve um truque para criá-lo com quase precisão. O truque usa um novo software de código aberto chamado SIMSOPT (Simons Optimization Suite), projetado para otimizar os stellarators refinando lentamente a forma simulada do limite do plasma que marca os campos magnéticos. "A capacidade de automatizar as coisas e testar rapidamente as coisas com este novo software torna essas configurações possíveis", disse Landreman.
 
Os cientistas também podem aplicar as descobertas ao estudo de problemas astrofísicos, disse ele. Na Alemanha, uma equipe está desenvolvendo um stellarator quase simétrico para confinar e estudar partículas de antimatéria, como as encontradas no espaço. "É exatamente o mesmo desafio da fusão", disse Landreman. "Você só precisa garantir que as partículas permaneçam confinadas."

Suposições inovadoras

O avanço fez algumas suposições simplificadoras que exigirão aprimoramento. Por simplicidade, por exemplo, a pesquisa considerou um regime em que a pressão e a corrente elétrica no plasma fossem pequenas. "Fizemos algumas suposições simplificadoras, mas a pesquisa é um passo significativo no futuro, porque mostramos que você pode realmente obter quase-simetria precisa que por muito tempo se pensou não ser possível", disse Paul.

Também precisando de mais desenvolvimento antes que as descobertas possam ser realizadas, estão as novas bobinas do stellarator e a engenharia detalhada do design do stellarator. O campo magnético pode ser fornecido em parte pelos ímãs permanentes que a PPPL está desenvolvendo para agilizar as bobinas estelaradoras torcidas de hoje. "As maiores peças que faltam são os ímãs, a pressão e a corrente", disse Landreman.

O trabalho de Paul no papel PRL está entre as realizações durante o segundo ano de sua bolsa presidencial de Princeton. Anteriormente, ela ganhou o altamente competitivo Prêmio de Tese de Doutorado Marshall N. Rosenbluth de 2021 da American Physical Society por sua dissertação na Universidade de Maryland, na qual Landreman foi orientadora. Ela agora trabalha com o estudante de pós-graduação do PPPL Richard Nies, que publicou recentemente um artigo que aplica as ferramentas matemáticas que sua tese de Maryland desenvolveu para acelerar a produção de quase-simetria.

Supervisionando o trabalho de Paul em Princeton está o físico do PPPL Amitava Bhattacharjee, professor de ciências astrofísicas de Princeton que também supervisiona o projeto "Simetrias Ocultas e Energia de Fusão" patrocinado pela Fundação Simons em Nova York que financiou o artigo da PRL. "O trabalho de Matt e Elizabeth faz uso hábil das ferramentas matemáticas e computacionais desenvolvidas nos últimos anos na otimização de stellarator e estabelece, sem sombra de dúvida, que podemos projetar campos magnéticos de stellarator quase simétricos com um nível de precisão sem precedentes. É um triunfo do design computacional."

O trabalho do Stellarator no projeto Simons é paralelo à pesquisa do PPPL para desenvolver o dispositivo promissor que o Laboratório inventou há cerca de 70 anos. Tal desenvolvimento combinaria as melhores características de stellarators e tokamaks para projetar uma instalação livre de interrupções com forte confinamento de plasma para reproduzir uma fonte virtualmente ilimitada de energia de fusão.

 

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