Os cientistas têm lutado durante anos para explicar um estranho padrão dentro dos tokamaks, as máquinas em forma de donut que um dia fundem átomos para produzir eletricidade. Dentro desses dispositivos, o plasma superaquecido é mantido por um campo magnético. Algumas dessas partículas eventualmente escapam da raiz e viajam para o sistema de exaustão, denominado divertor.
Quando as partículas alcançam o desviador, elas atingem a placa de metal, esfriam e ricocheteiam. (O retorno dos átomos ajuda a alimentar a reação de fusão.) No entanto, os experimentos revelaram consistentemente um desequilíbrio inesperado. Muito mais partículas atingiram o alvo do desvio interno do que o externo.
Esta distribuição desigual é mais que uma curiosidade. Isto tem implicações importantes para futuros reatores de fusão. Os engenheiros devem saber onde as partículas cairão para projetar desviadores que possam suportar calor e pressão extremos. Até agora, a principal explicação concentrava-se na deriva de campo cruzado, que descreve como as partículas se movem lateralmente através das linhas do campo magnético dentro do divertor. Mas as simulações que incluem apenas este efeito não conseguiram reproduzir o que as experiências mostram, levantando dúvidas sobre se os modelos podem orientar de forma fiável o projeto do reator.
A rotação plasmática aparece como o fator ausente
Uma nova pesquisa descobriu uma peça-chave do quebra-cabeça. Os cientistas descobriram que a rotação toroidal, o movimento do plasma em círculos ao redor do tokamak, afeta fortemente o local onde as partículas vão parar no sistema de escapamento.
Usando o código de modelagem SOLPS-ITER, os pesquisadores simularam o comportamento da partícula sob diversas condições. Seus resultados, publicados Carta de revisão físicamostra que as simulações correspondem às medições do mundo real apenas quando incluem o desvio de campo cruzado, bem como a rotação do plasma. Este alinhamento entre modelo e experimento é essencial para projetar sistemas de fusão que possam operar de forma confiável fora do laboratório.
“Dois componentes fluem no plasma”, disse Eric MD, físico pesquisador associado do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e principal autor do estudo. “Existe o fluxo de campo cruzado, onde as partículas fluem lateralmente através das linhas do campo magnético, e o fluxo paralelo, onde viajam ao longo dessas linhas. Muitas pessoas disseram que o fluxo de campo cruzado criou a assimetria. O que este artigo mostra é que o fluxo paralelo, impulsionado pelo núcleo rotativo, é igualmente importante.”
O final da simulação corresponde à realidade
Para testar a ideia, a equipe modelou o comportamento do plasma no tokama DIII-D da Califórnia. Eles executaram quatro cenários diferentes, com desvio de campo cruzado e rotação de plasma ativada e desativada. Os resultados foram claros. Nenhuma das simulações correspondeu aos dados experimentais até que um elemento importante foi adicionado: uma velocidade medida de rotação do núcleo de 88,4 quilômetros por segundo.
Uma vez incluídos ambos os efeitos, os modelos reproduzem de perto a distribuição desigual de partículas observada em experimentos reais. O efeito combinado da deriva lateral e da rotação provou ser muito mais forte do que qualquer um dos fatores isoladamente.
Projetando sistemas de fusão para condições reais
Os resultados destacam uma importante conexão entre o núcleo rotativo do plasma e o comportamento das partículas nas bordas do sistema. Capturar com precisão essa relação é essencial para prever como as partículas de exaustão se comportarão em reatores futuros.
Boa previsão significa boa engenharia. Com uma compreensão clara de onde o calor e as partículas serão condensados, os projetistas podem criar desviadores mais resilientes e mais adequados às condições operacionais reais.
Além do MD, a equipe de pesquisa incluiu Laszlo Horvath, Alessandro Bortolon, George Wilkie e Sean Huskey do PPPL; Raul Gerru Miguelanez, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts; e Florian Lagner, da Universidade Estadual da Carolina do Norte.
Este trabalho foi apoiado por DIII-D National Fusion Grants DE-AC02-09CH11466, DE-FC02-04ER54698, DE-SC0024523, DE-SC0024523, DE-24666, DE-FC02-04ER54698, DE-SC02-09CH11466, DE-SC0024523, DE-24666 A instalação, uma instalação de usuário do DOE Office of Science, foi apoiada pelo Office of Fusion Energy Sciences do DOE. DE-SC0019130.
