Use os pontos fracos como pontos fortes para melhorar a reação de fusão

Inspirados por Kintsugi, os cientistas do PPPL desenvolveram um método para gerenciar plasma em reatores de fusão, utilizando imperfeições do campo magnético, aumentando a estabilidade e abrindo caminho para uma energia de fusão mais confiável e eficiente. Crédito: SciTechDaily.com

Cientistas aproveitam imperfeições em campos magnéticos para melhorar a fusão plasma.

Na arte japonesa de Kintsugi, um artista pega os cacos quebrados de uma tigela e os funde novamente com ouro para tornar o produto final mais bonito que o original.

Essa ideia está a inspirar uma nova abordagem à gestão do plasma, o estado superaquecido da matéria, para utilização como fonte de energia. Os cientistas estão usando as imperfeições nos campos magnéticos que confinam uma reação para melhorar e aprimorar o plasma, em uma abordagem descrita em um novo artigo publicado na revista. Comunicações da Natureza.

“Essa abordagem permite manter um plasma de alto desempenho, controlando simultaneamente instabilidades no núcleo e na borda do plasma. Esse controle simultâneo é particularmente importante e difícil de fazer. É isso que torna este trabalho especial”, disse Joseph Snipes, do Laboratório de Física de Plasma de Princeton, do Departamento de Energia dos EUA (DOE).PPPL). Ele é vice-chefe do Departamento de Ciência Experimental do Tokamak do PPPL e foi coautor do artigo.

Tigela de cerâmica antiga japonesa Kintsugi

O físico do PPPL, Seong-Moo Yang, liderou a equipe de pesquisa, que abrange várias instituições nos EUA e na Coreia do Sul. Yang diz que esta é a primeira vez que uma equipe de pesquisa valida uma abordagem sistemática para adaptar as imperfeições do campo magnético para tornar o plasma adequado para uso como fonte de energia. Essas imperfeições do campo magnético são conhecidas como campos de erro.

“Nosso novo método identifica correções ideais de campo de erro, melhorando a estabilidade do plasma”, disse Yang. “Foi comprovado que este método melhora a estabilidade do plasma sob diferentes condições de plasma, por exemplo, quando o plasma estava sob condições de alto e baixo confinamento magnético.”

https://youtu.be/sfZlCK_5dsQ?t=5397
Yang apresenta pesquisa no National Research SLAM do DOE.

Erros difíceis de corrigir

Os campos de erro são normalmente causados ​​por defeitos minúsculos nas bobinas magnéticas do dispositivo que contém o plasma, chamado tokamak. Até agora, os campos de erro eram vistos apenas como um incômodo porque mesmo um campo de erro muito pequeno poderia causar uma interrupção no plasma que interrompesse as reações de fusão e pudesse danificar as paredes de um recipiente de fusão. Conseqüentemente, os pesquisadores de fusão gastaram tempo e esforço consideráveis ​​para encontrar meticulosamente maneiras de corrigir campos de erro.

“É muito difícil eliminar os campos de erro existentes, então, em vez de corrigir essas irregularidades na bobina, podemos aplicar campos magnéticos adicionais ao redor do recipiente de fusão em um processo conhecido como correção de campo de erro”, disse Yang.

No passado, esta abordagem também teria prejudicado o núcleo do plasma, tornando-o inadequado para a geração de energia de fusão. Desta vez, os pesquisadores conseguiram eliminar instabilidades na borda do plasma e manter a estabilidade do núcleo. A investigação é um excelente exemplo de como os investigadores do PPPL estão a colmatar a lacuna entre a tecnologia de fusão actual e o que será necessário para levar a energia de fusão à rede eléctrica.

“Esta é na verdade uma forma muito eficaz de quebrar a simetria do sistema, para que os humanos possam degradar intencionalmente o confinamento. É como fazer um buraco muito pequeno num balão para que não exploda”, disse SangKyeun Kim, cientista pesquisador da equipe do PPPL e coautor do artigo. Assim como o ar vazaria de um pequeno orifício em um balão, uma pequena quantidade de plasma vazaria do campo de erro, o que ajuda a manter sua estabilidade geral.

Gerenciando o núcleo e a borda do plasma simultaneamente

Uma das partes mais difíceis do gerenciamento de uma reação de fusão é fazer com que o núcleo e a borda do plasma se comportem ao mesmo tempo. Existem zonas ideais para a temperatura e densidade do plasma em ambas as regiões, e atingir esses alvos e eliminar instabilidades é difícil.

Este estudo demonstra que o ajuste dos campos de erro pode estabilizar simultaneamente o núcleo e a borda do plasma. Ao controlar cuidadosamente os campos magnéticos produzidos pelas bobinas do tokamak, os pesquisadores puderam suprimir instabilidades nas bordas, também conhecidas como modos localizados nas bordas (ELMs), sem causar interrupções ou uma perda substancial de confinamento.

“Estamos tentando proteger o dispositivo”, disse Qiming Hu, físico pesquisador da equipe do PPPL, autor do artigo.

Estendendo a pesquisa além do KSTAR

A pesquisa foi realizada utilizando o tokamak KSTAR na Coreia do Sul, que se destaca pela capacidade de ajustar a configuração do campo de erro magnético com grande flexibilidade. Esta capacidade é crucial para experimentar diferentes configurações de campos de erro para encontrar as mais eficazes para estabilizar o plasma.

Os pesquisadores dizem que sua abordagem tem implicações significativas para o projeto de futuras plantas piloto de fusão tokamak, potencialmente tornando-as mais eficientes e confiáveis. Atualmente, eles estão trabalhando em uma versão de inteligência artificial (IA) de seu sistema de controle para torná-lo mais eficiente.

“Esses modelos são bastante complexos; eles demoram um pouco para calcular. Mas quando você quer fazer algo em um sistema de controle em tempo real, você só pode gastar alguns milissegundos para fazer um cálculo”, disse Snipes. “Usando IA, você pode basicamente ensinar ao sistema o que esperar e ser capaz de usar essa inteligência artificial para prever com antecedência o que será necessário para controlar o plasma e como implementá-lo em tempo real.”

Embora seu novo artigo destaque o trabalho realizado usando as bobinas magnéticas internas do KSTAR, Hu sugere que pesquisas futuras com bobinas magnéticas fora do recipiente de fusão seriam valiosas porque a comunidade de fusão está se afastando da ideia de alojar tais bobinas dentro do recipiente selado a vácuo devido a a potencial destruição de tais componentes devido ao calor extremo do plasma.

Referência: “Adaptando campos de erro de tokamak para controlar instabilidades e transporte de plasma” por SeongMoo Yang, Jong-Kyu Park, YoungMu Jeon, Nikolas C. Logan, Jaehyun Lee, Qiming Hu, JongHa Lee, SangKyeun Kim, Jaewoo Kim, Hyungho Lee, Yong -Su Na, Taik Soo Hahm, Gyungjin Choi, Joseph A. Snipes, Gunyoung Park e Won-Ha Ko, 10 de fevereiro de 2024, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-024-45454-1

Pesquisadores do Instituto Coreano de Energia de Fusão (KFE), Universidade Columbiae a Universidade Nacional de Seul também foram parte integrante do projeto.

A pesquisa foi apoiada por: Departamento de Energia dos EUA sob o contrato número DE-AC02-09CH11466; o Ministério da Ciência e TIC no âmbito do Programa de P&D KFE “KSTAR Experimental Collaboration and Fusion Plasma Research (KFE-EN2401-15)”; a concessão nº RS-2023-00281272 da Fundação Nacional de Pesquisa (NRF), financiada pelo Ministério Coreano de Ciência, Tecnologia da Informação e Comunicação e pelo Fundo para Inicialização de Novos Docentes da Universidade Nacional de Seul; a NRF sob as subvenções nº 2019R1F1A1057545 e nº 2022R1F1A1073863; o Programa Nacional de I&D através do NRF financiado pelo Ministério da Ciência e TIC (NRF-2019R1A2C1010757).



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