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Enganando o combustível de fusão: como disciplinar o plasma indisciplinado
As reações de fusão combinam elementos leves na forma de plasma - o estado quente e carregado da matéria composto de elétrons livres e núcleos atômicos que constituem 99% do universo visível - para gerar grandes quantidades de energia.
Por John Greenwald - 26/04/2021


O físico Jong-Kyu Park na sala de controle do KSTAR, à esquerda, e com figuras do papel, à direita. Crédito: Foto da sala de controle, cortesia do KSTAR; colagem e foto do lado direito por Elle Starkman / PPPL Office of Communications.

O processo projetado para coletar na Terra a energia de fusão que alimenta o sol e as estrelas pode às vezes ser enganado. Pesquisadores do laboratório de Física de Plasma de Princeton do Departamento de Energia dos EUA (DOE) derivaram e demonstraram um pouco de "quase simetria" que poderia acelerar o desenvolvimento da energia de fusão como uma fonte segura, limpa e virtualmente ilimitada de energia para gerar eletricidade.

As reações de fusão combinam elementos leves na forma de plasma - o estado quente e carregado da matéria composto de elétrons livres e núcleos atômicos que constituem 99% do universo visível - para gerar grandes quantidades de energia. Cientistas de todo o mundo procuram reproduzir o processo em instalações de fusão em formato de donut chamadas tokamaks, que aquecem o plasma a temperaturas de um milhão de graus e o confinam em campos magnéticos simétricos produzidos por bobinas para criar reações de fusão.

Questão crucial

Uma questão crucial para esses esforços é manter a rotação rápida do plasma em forma de donut que gira dentro de um tokamak. No entanto, pequenas distorções do campo magnético, ou ondulações, causadas pelo desalinhamento das bobinas do campo magnético, podem retardar o movimento do plasma, tornando-o mais instável. Os desalinhamentos da bobina e as ondulações de campo resultantes são minúsculos, tão pequenos quanto 1 parte em 10.000 partes do campo, mas podem ter um impacto significativo.

Manter a estabilidade em tokamaks futuros, como o ITER, a instalação internacional que está sendo construída na França para demonstrar a viabilidade da energia de fusão , será essencial para coletar a energia para gerar eletricidade. Uma maneira de minimizar o impacto das ondulações do campo é adicionar ímãs para cancelar ou curar o efeito dos erros do campo magnético. No entanto, as ondulações do campo nunca podem ser completamente canceladas e não houve um método ideal para mitigar seus efeitos até agora.

O método recém-descoberto pede para enganar as partículas de plasma rodopiantes, cancelando os erros do campo magnético ao longo do caminho que viajam. "Uma maneira de preservar a rotação ao mesmo tempo em que fornece estabilidade é mudar a forma do campo magnético para que as partículas sejam enganadas ao pensar que não estão se movendo em um campo magnético ondulado", disse o físico Jong-Kyu Park do PPPL, autor principal de um artigo na Physical Review Letters (PRL) que propõe uma solução. "Precisamos fazer o campo 3D dentro do plasma quase simétrico para enganar as partículas e fazê-las se comportar como se não fossem afetadas pelos campos", disse Park.
 
Quase-simetria

Quase-simetria, uma forma de simetria de campo magnético introduzida por físicos que estudam sistemas de confinamento magnético tortuoso chamados estelares, pode ser usada para minimizar os efeitos negativos de campos 3D em tokamaks. Tal minimização pode melhorar o confinamento de energia e a estabilidade do plasma, aumentando seu fluxo rotacional.

"Se você pode modificar esses campos 3D para reduzir a tendência das partículas de se afastarem de onde começaram, então podemos manter a rotação natural do plasma e o confinamento das partículas e do calor", disse o físico do PPPL Raffi Nazikian, um coautor do papel.

Park e seus colegas demonstraram o uso de quase simetria para tornar inofensivas as ondulações do campo de erro em tokamaks. Testes na Instalação Nacional de Fusão DIII-D na General Atomics (GA) em San Diego e na instalação de Pesquisa Avançada de Tokamak de Supercondução Coreana (KSTAR) na Coréia do Sul mostraram resultados positivos. O processo "fornece um caminho confiável de otimização de campo de erro abrangente em plasmas de queima de fusão", de acordo com o artigo.

Embora essas otimizações sejam vitais, os cientistas normalmente usam ondulações de campo magnético para lidar com outros problemas. Por exemplo, no DIII-D, os pesquisadores usaram bobinas especiais para reduzir ou eliminar modos localizados nas bordas (ELMs) - explosões de calor que podem danificar o interior dos tokamaks.

Exemplos importantes

Esses casos são o exemplo mais importante do bom uso de ondulações e as novas descobertas marcam um avanço no tratamento dos ruins. "Jong-Kyu usou os algoritmos para adaptar os incômodos campos magnéticos tridimensionais do tokamak a um novo nível", disse Carlos Paz-Soldan, coautor do artigo como físico DIII-D e agora professor associado da Universidade de Columbia . “Esta estrutura certamente será a base sobre a qual estratégias de controle futuras para esses campos serão desenvolvidas”, disse Paz-Soldan.

Os cientistas também estão buscando ativamente o conceito de quase-simetria para otimizar o projeto de instalações de fusão estelar que operam intrinsecamente com campos 3D. O conceito demonstrou sucesso em minimizar a perda de calor e partículas em stellarators, um problema antigo com as instalações em forma de cruller que usam um conjunto de bobinas retorcidas complexas que espiralam como listras em uma bengala de doce para produzir campos magnéticos.

O trabalho estelar ilustra a ampla aplicabilidade da quase-simetria na pesquisa de fusão . O próximo passo, disse Park, será aplicar o conceito ao ITER, "para que possamos fazer um bom trabalho para corrigir os campos de erro naquele tokamak."

 

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