Durante anos, os cientistas lutaram para explicar um estranho padrão dentro de um tokamak, uma máquina em forma de donut projetada para um dia gerar eletricidade através da fusão de átomos. Dentro desses dispositivos, o plasma superaquecido é mantido no lugar por campos magnéticos. Algumas dessas partículas eventualmente escapam do núcleo e fluem para um sistema de exaustão denominado divertor.
Quando as partículas alcançam o divertor, elas atingem a placa de metal, esfriam e ricocheteiam. (O retorno dos átomos ajuda a alimentar a reação de fusão.) No entanto, as experiências continuam a revelar desequilíbrios inesperados. Muito mais partículas atingiram o alvo do desvio interno do que o alvo do desvio externo.
Esta distribuição desigual é mais que uma curiosidade. Tem implicações importantes para futuros reatores de fusão. Os engenheiros devem saber exatamente onde as partículas cairão para projetar um desvio que possa suportar calor e pressão extremos. Até agora, as principais explicações concentraram-se na deriva de campo cruzado, que descreve como as partículas se movem lateralmente dentro das linhas do campo magnético dentro do divertor. Mas as simulações que incluíram apenas este efeito não conseguiram reproduzir os resultados mostrados pelos experimentos, levantando dúvidas sobre se o modelo pode orientar de forma confiável o projeto do reator.
A rotação do plasma se torna o fator que falta
Uma nova pesquisa lança luz sobre uma peça-chave do quebra-cabeça. Os cientistas descobriram que a rotação toroidal (o movimento do plasma enquanto gira em torno do tokamak) afeta fortemente o local onde as partículas vão parar no sistema de exaustão.
Os pesquisadores usaram o código de modelagem SOLPS-ITER para simular o comportamento das partículas sob diversas condições. Suas descobertas foram publicadas em Cartas de revisão físicamostraram que as simulações só correspondem às medições do mundo real quando a rotação do plasma está presente juntamente com o desvio de campo cruzado. Esta consistência entre modelos e experimentos é crítica para projetar sistemas integrados que possam operar de forma confiável fora do laboratório.
“Existem dois componentes fluindo no plasma”, disse Eric Emdee, 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 flutuam lateralmente ao longo das linhas do campo magnético, e há o fluxo paralelo, onde as partículas viajam ao longo das linhas do campo magnético. Muitas pessoas dizem que o fluxo de campo cruzado é responsável pela assimetria. Este artigo mostra que o fluxo paralelo, impulsionado por um núcleo rotativo, é igualmente importante.”
A simulação finalmente encontra a realidade
Para testar a ideia, a equipe modelou o comportamento do plasma no tokamak DIII-D da Califórnia. Eles executaram quatro cenários diferentes, ativando e desativando o desvio de campo cruzado e a rotação do plasma. Os resultados são claros. Todas as simulações discordaram dos dados experimentais até que um fator-chave foi adicionado: uma velocidade medida de rotação do núcleo de 88,4 quilômetros por segundo.
Uma vez levados em consideração ambos os efeitos, o modelo pode reproduzir com precisão a distribuição desigual de partículas observada em experimentos reais. Acontece que o efeito combinado da deriva lateral e do spin é muito maior do que o impacto de qualquer um dos fatores por si só.
Projetando sistemas convergentes para condições do mundo real
Essas descobertas destacam a importante conexão entre o núcleo do plasma rotativo e o comportamento das partículas nas bordas do sistema. Capturar com precisão essa relação é fundamental para prever como as partículas de exaustão se moverão em reatores futuros.
Melhores previsões significam melhor engenharia. Ao obter uma compreensão mais clara de onde o calor e as partículas se concentrarão, os projetistas podem construir desviadores mais resilientes e mais adequados às condições operacionais reais.
Além de Emdee, a equipe de pesquisa inclui Laszlo Horvath, Alessandro Bortolon, George Wilkie e Shaun Haskey, PPPL; Raúl Gerrú Migueláñez, MIT; e Florian Ragner, Universidade Estadual da Carolina do Norte.
Este trabalho foi apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA, Office of Fusion Energy Sciences, usando o Departamento de Energia dos EUA, Office of Science User Facility DIII-D National Fusion Facility, sob os prêmios DE-AC02-09CH11466, DE-FC02-04ER54698, DE-SC0024523, DE-SC0014264 e DE130.
