Os pesquisadores do Laboratório de Física de Plasma de Princeton combinaram de forma inovadora o acionamento da corrente do elétron-ciclotron e perturbações magnéticas ressonantes para melhorar o controle do plasma em processos de fusão, reduzindo potencialmente os custos de energia de fusão e superando os desafios associados aos modos localizados na borda. Crédito: SciTechDaily.com
Pesquisadores simulam com sucesso um novo método de combinação para gerenciar a fusão plasma.
Em sua busca contínua para desenvolver uma série de métodos para gerenciar o plasma para que ele possa ser usado para gerar eletricidade em um processo conhecido como fusão, pesquisadores do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) mostraram como dois antigos métodos podem ser combinados para fornecer maior flexibilidade.
Embora os dois métodos – conhecidos como acionamento de corrente de elétron-ciclotron (ECCD) e aplicação de perturbações magnéticas ressonantes (RMP) – tenham sido estudados há muito tempo, esta é a primeira vez que os pesquisadores simulam como eles podem ser usados em conjunto para fornecer controle aprimorado do plasma.
“Esta é uma ideia nova”, disse Qiming Hu, físico pesquisador da equipe da PPPL e autor principal de um novo artigo publicado na revista Fusão nuclear sobre o trabalho, que também foi demonstrado experimentalmente. “Todas as capacidades ainda estão sendo descobertas, mas nosso artigo faz um excelente trabalho ao avançar nossa compreensão dos benefícios potenciais.”
Em última análise, os cientistas esperam usar a fusão para gerar eletricidade. Primeiro, eles precisarão superar vários obstáculos, incluindo o aperfeiçoamento de métodos para minimizar explosões de partículas do plasma, conhecidos como modos localizados nas bordas (ELMs).
“Periodicamente, essas rajadas liberam um pouco de pressão porque é demais. Mas essas explosões podem ser perigosas”, disse Hu, que trabalha para o PPPL no DIII-D National Fusion Facility, uma instalação de usuários do DOE hospedada pela General Atomics. DIII-D é um tokamak, um dispositivo que usa campos magnéticos para confinar um plasma de fusão em formato de donut. Os ELMs podem encerrar uma reação de fusão e até danificar o tokamak, por isso os pesquisadores desenvolveram muitas maneiras de tentar evitá-los.
“A melhor maneira que encontramos de evitá-los é aplicando perturbações magnéticas ressonantes, ou RMPs, que geram campos magnéticos adicionais”, disse o físico pesquisador principal do PPPL, Alessandro Bortolon, que foi um dos coautores do artigo.
Uma representação artística de ilhas magnéticas. Crédito: Kyle Palmer / Departamento de Comunicações PPPL
Os campos magnéticos geram ilhas, as microondas as ajustam
Os campos magnéticos inicialmente aplicados pelo tokamak envolvem o plasma em forma de toro, tanto no caminho longo – ao redor da borda externa, quanto no caminho curto – da borda externa e através do orifício central. Os campos magnéticos adicionais criados pelos RMPs viajam através do plasma, entrando e saindo como uma costura de esgoto. Esses campos produzem campos magnéticos ovais ou circulares no plasma, chamados ilhas magnéticas.
“Normalmente, as ilhas de plasma são muito, muito ruins. Se as ilhas forem demasiado grandes, o próprio plasma pode perturbar.”
No entanto, os investigadores já sabiam experimentalmente que, sob certas condições, as ilhas podem ser benéficas. A parte difícil é gerar RMPs suficientemente grandes para gerar as ilhas. É aí que entra o ECCD, que é basicamente uma injeção de feixe de micro-ondas. Os pesquisadores descobriram que adicionar ECCD à borda do plasma reduz a quantidade de corrente necessária para gerar os RMPs necessários para formar as ilhas.
A imagem à esquerda mostra o tokamak e a perturbação magnética 3D gerada por bobinas 3D, com os tons azul-púrpura representando perturbações de menor amplitude e o vermelho representando perturbações de maior amplitude. A imagem à direita é uma visão mais próxima mostrando a metade superior do tokamak e do plasma. As bobinas são usadas para gerar as perturbações do campo magnético que produzem as ilhas (azul). Outra bobina também pode ser encontrada na parte inferior da máquina. O sistema de injeção para as microondas ECCD está representado na parte superior (vermelho). Estes podem ser usados para ajustar a largura das ilhas. Crédito: Qiming Hu/PPPL
A injeção do feixe de micro-ondas também permitiu aos pesquisadores aperfeiçoar o tamanho das ilhas para máxima estabilidade das bordas do plasma. Metaforicamente, os RMPs atuam como um simples interruptor de luz que liga as ilhas, enquanto o ECCD atua como um interruptor dimmer adicional que permite aos pesquisadores ajustar as ilhas ao tamanho ideal para um plasma gerenciável.
“Nossa simulação refina nossa compreensão das interações em jogo”, disse Hu. “Quando o ECCD foi adicionado na mesma direção da corrente no plasma, a largura da ilha diminuiu e a pressão do pedestal aumentou. A aplicação do ECCD na direção oposta produziu resultados opostos, com o aumento da largura da ilha e a pressão do pedestal diminuindo ou facilitando a abertura da ilha.”
ECCD no Edge, em vez do Core
A pesquisa também é notável porque o ECCD foi adicionado à borda do plasma em vez de ao núcleo, onde normalmente é usado.
“Normalmente, as pessoas pensam que a aplicação de ECCD localizada na borda do plasma é arriscada porque as microondas podem danificar os componentes do vaso”, disse Hu. “Mostramos que isso é factível e demonstramos a flexibilidade da abordagem. Isso pode abrir novos caminhos para projetar dispositivos futuros.”
Ao reduzir a quantidade de corrente necessária para gerar os RMPs, este trabalho de simulação poderia, em última análise, levar à redução do custo da produção de energia de fusão em dispositivos de fusão em escala comercial do futuro.
Referência: “Efeitos da corrente de ciclotron de elétrons localizados na borda na supressão do modo localizado na borda por perturbações magnéticas ressonantes em DIII-D” por QM Hu, NC Logan, Q. Yu e A. Bortolon, 13 de março de 2024, Fusão nuclear.
DOI: 10.1088/1741-4326/ad2ca8
Este trabalho foi financiado pelo DOE sob os números DE-AC02-09CH11466, DE-FC02-04ER54698, DE-SC0022270 e DE-AC52-07NA27344. O coautor Qingquan Yu foi parcialmente apoiado pelo projeto EUROfusion Enabling Research (CfP-FSD-AWP24-ENR). O seu trabalho foi realizado no âmbito do Consórcio EUROfusion, financiado pela União Europeia através da bolsa do Programa Euratom de Investigação e Formação número 101052200.
