As instabilidades do plasma ELM tipo I podem derreter as paredes dos dispositivos de fusão. Uma equipe de pesquisadores do Instituto Max Planck de Física de Plasma (IPP) e da Universidade de Tecnologia de Viena (TU Wien) encontrou uma maneira de controlá-los. Seu trabalho é publicado na revista Physical Review Letters.
As usinas de fusão nuclear poderão um dia fornecer uma solução sustentável para nossos problemas energéticos. É por isso que pesquisas estão sendo realizadas em todo o mundo sobre esse método de geração de energia, que imita os processos do sol. Para que o princípio funcione na Terra, os plasmas devem ser aquecidos a pelo menos 100 milhões de graus Celsius em reatores. Campos magnéticos envolvem o plasma para que a parede do reator não derreta. Isso só funciona porque os centímetros mais externos na borda do plasma formado magneticamente são extremamente bem isolados. Nesta região, no entanto, as instabilidades do plasma, os chamados modos localizados de borda (ELMs), ocorrem com frequência. Durante tal evento, partículas energéticas do plasma podem atingir a parede do reator, potencialmente danificando-o.
Pesquisadores do Instituto Max Planck de Física de Plasma (IPP) em Garching e da Universidade de Tecnologia de Viena conseguiram agora mostrar: Existe um modo de operação para reatores de fusão que evita esse problema. Em vez de grandes instabilidades potencialmente destrutivas, aceita-se intencionalmente muitas pequenas instabilidades que não representam um problema para a parede do reator.
“Nosso trabalho representa um avanço na compreensão da ocorrência e prevenção de grandes ELMs Tipo I”, diz Elisabeth Wolfrum, líder do grupo de pesquisa do IPP em Garching, Alemanha, e professora da TU Wien. “O regime de operação que propomos é provavelmente o cenário mais promissor para futuros plasmas de usinas de fusão.” Os resultados já foram publicados na revista Physical Review Letters.
O renascimento de um modo de operação desconsiderado
Em um reator de fusão tokamak toroidal, as partículas de plasma ultraquentes se movem em alta velocidade. Bobinas magnéticas poderosas garantem que as partículas permaneçam confinadas em vez de atingir a parede do reator com força destrutiva. “No entanto, você também não quer isolar o plasma perfeitamente da parede do reator; afinal, é necessário adicionar novo combustível e remover o hélio produzido durante a fusão”, explica Friedrich Aumayr, professor de Física de Íons e Plasma. no Instituto de Física Aplicada da TU Wien em Viena, Áustria.
Os detalhes da dinâmica dentro do reator são complicados: o movimento das partículas depende da densidade do plasma, temperatura e campo magnético. Dependendo de como se escolhe esses parâmetros, diferentes regimes de operação são possíveis. Uma colaboração de longa data entre o grupo TU Vienna de Friedrich Aumayr e o grupo IPP Garching coordenado por Elisabeth Wolfrum agora leva a um regime operacional que pode impedir as instabilidades particularmente destrutivas do plasma chamadas ELMs tipo I.
Já há alguns anos, experimentos mostraram uma receita contra os perigosos ELMs do Tipo I: o plasma é levemente deformado pelas bobinas magnéticas, de modo que sua seção transversal do plasma não é mais elíptica, mas se assemelha a um triângulo arredondado. Simultaneamente, a densidade do plasma é aumentada, especialmente na borda.
“No início, no entanto, isso foi pensado para ser um cenário que ocorre apenas em máquinas menores atualmente em execução, como ASDEX Upgrade no IPP em Garching e é irrelevante para um reator”, explica Lidija Radovanovic, que atualmente está trabalhando em seu doutorado. . tese sobre este tema na TU Wien. “No entanto, com novos experimentos e simulações, agora conseguimos mostrar: o regime pode evitar as instabilidades perigosas mesmo em intervalos de parâmetros previstos para reatores.”
Como um pote com tampa
Devido à forma triangular do plasma e à injeção controlada de partículas adicionais na borda do plasma, ocorrem muitas pequenas instabilidades – vários milhares de vezes por segundo. “Essas pequenas explosões de partículas atingem a parede do reator mais rápido do que ele pode aquecer e esfriar novamente”, diz Georg Harrer, principal autor do artigo. “Portanto, essas instabilidades individuais não desempenham um papel importante para a parede do reator.” Mas, como a equipe conseguiu mostrar por meio de cálculos de simulação detalhados, essas mini-instabilidades evitam as grandes instabilidades que, de outra forma, causariam danos.
“É um pouco como uma panela com tampa, onde a água começa a ferver”, explica Georg Harrer. “Se a pressão continuar aumentando, a tampa vai levantar e chacoalhar fortemente devido ao vapor que escapa. Mas se você inclinar a tampa ligeiramente, então o vapor pode escapar continuamente, e a tampa permanece estável e não chacoalha.” Este regime de operação do reator de fusão pode ser implementado em uma variedade de reatores – não apenas no reator ASDEX Upgrade em Garching, mas também no ITER, atualmente em construção na França, ou mesmo em futuras usinas de fusão DEMO.
A pesquisa descrita faz parte do programa de pesquisa de fusão austríaca Fusion@ÖAW e foi realizada dentro do projeto EUROfusion da UE.
Publicado em 12/10/2022 12h56
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