A descoberta crucial sinaliza um enorme salto no progresso dos reatores de energia de fusão

Os pesquisadores usaram ondas de Alfvén para atenuar elétrons descontrolados em dispositivos de fusão tokamak, proporcionando implicações importantes para futuros projetos de energia de fusão, incluindo o ITER na França.

Cientistas liderados por Zhang Liu, do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) revelou uma abordagem promissora para mitigar o dano de elétrons descontrolados causados ​​pela turbulência em dispositivos de fusão tokamak. A chave para esta abordagem foi aproveitar um gênero único plasma Uma onda que leva o nome do astrofísico Hans Alvvén, que ganhou o Prêmio Nobel em 1970.

Há muito se sabe que as ondas de Alfvén afrouxam o confinamento de partículas de alta energia nos reatores tokamak, permitindo que algumas escapem e reduzindo a eficiência dos dispositivos em forma de rosca. No entanto, novas descobertas de Zhang Liu e pesquisadores da General Atomics, da Columbia University e do PPPL revelaram resultados úteis no caso de elétrons fugitivos.

Ótimo processo circular

Os cientistas descobriram que tal afrouxamento poderia dispersar ou dispersar elétrons de alta energia antes que se transformassem em avalanches que danificassem os componentes do tokamak. Este processo é considerado notavelmente circular: os fugitivos criam instabilidades que dão origem às ondas de Alfvén que impedem a formação da avalanche.

“Essas descobertas fornecem uma explicação abrangente para a observação direta das ondas de Alfvén em experimentos de inativação”, disse Liu, pesquisador do PPPL e autor principal de um artigo que detalha as descobertas. Cartas de revisão física. “Os resultados demonstram uma ligação clara entre esses padrões e a geração de elétrons descontrolados.”

Chang Liu. Crédito: Elle Starkman

Os pesquisadores deduziram uma teoria para o circuito observado dessas interações. Os resultados combinam bem com os fugitivos em experimentos conduzidos no National Fusion Facility DIII-D, um tokamak do Departamento de Energia operado pela General Atomics para o Office of Science. Os testes da teoria também se mostraram positivos no supercomputador Summit localizado no Laboratório Nacional de Oak Ridge.

“O trabalho de Zhang Liu mostra que o tamanho do conjunto de elétrons que escapam pode ser controlado por instabilidades causadas pelos próprios elétrons que escapam”, disse Felix Parra Diaz, chefe de teoria do PPPL. “Sua pesquisa é muito empolgante porque pode levar a projetos de tokamak que mitigam naturalmente os danos descontrolados dos elétrons por meio da instabilidade inerente.”

Têmpera térmica

A turbulência começa com uma queda acentuada nas temperaturas de milhões de graus necessárias para as reações de fusão. Essas quedas, chamadas de “extinção térmica”, liberam avalanches de deslizamentos de terra semelhantes aos deslizamentos desencadeados por terremotos. “Controlar a turbulência é um grande desafio para o sucesso do tokamak”, disse Liu.

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 chamados íons – para liberar a enorme energia que alimenta o sol e as estrelas. Mitigar o risco de turbulência e de elétrons descontrolados proporcionaria, portanto, um benefício único às instalações tokamak projetadas para reproduzir o processo.

Mitigar o risco de turbulência e de elétrons descontrolados proporcionaria, portanto, um benefício único às instalações tokamak projetadas para reproduzir o processo.

A energia de fusão nuclear pode ser uma fonte essencial de energia sustentável para complementar as fontes de energia renováveis. A maior experiência de fusão do mundo, o ITER, está agora a ser construída em França. Crédito: ITER

A nova abordagem poderá ter implicações para o progresso do projecto ITER, um tokamak internacional em construção em França para demonstrar a aplicação prática da energia de fusão, e poderá representar um passo importante no desenvolvimento de centrais eléctricas de fusão.

“Nossas descobertas abrem caminho para a criação de novas estratégias para mitigar os elétrons descontrolados”, disse Liu. Agora em fase de planejamento estão campanhas experimentais nas quais os três centros de pesquisa pretendem desenvolver ainda mais os resultados surpreendentes.