doi.org/10.1088/1741-4326/ad3b1e
Credibilidade: 999
#Fusão
O calor de exaustão dos reatores de fusão em escala comercial pode ser menos prejudicial do que se acreditava anteriormente.
Novas pesquisas indicam que o calor da fusão de plasma se espalha de maneira mais uniforme nos reatores tokamak, sugerindo um risco reduzido de danos a componentes críticos, melhorando assim a longevidade e a eficiência do reator.
De acordo com pesquisadores do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE), do Laboratório Nacional de Oak Ridge e da Organização ITER (ITER), o intenso calor de exaustão produzido pela fusão do plasma em um reator em escala comercial pode não ser tão prejudicial para o interior do reator como se acreditava anteriormente.
“Esta descoberta muda fundamentalmente a forma como pensamos sobre a forma como o calor e as partículas viajam entre duas regiões criticamente importantes na borda de um plasma durante a fusão”, disse o físico-chefe de pesquisa do PPPL, Choongseok Chang, que liderou a equipe de pesquisadores por trás da descoberta.
Um novo artigo detalhando seu trabalho foi publicado recentemente na revista Nuclear Fusion, após publicações anteriores sobre o assunto.
Para conseguir a fusão, as temperaturas dentro de um tokamak – o dispositivo em forma de donut que contém o plasma – devem ultrapassar os 150 milhões de graus Celsius.
Isso é 10 vezes mais quente que o centro do sol.
Conter algo tão quente é um desafio, embora o plasma seja mantido afastado das superfícies internas por meio de campos magnéticos.
Esses campos mantêm a maior parte do plasma confinado em uma região central conhecida como núcleo, formando um anel em forma de rosca.
Algumas partículas e calor escapam do plasma confinado e atingem o material voltado para o plasma.
Novas descobertas dos pesquisadores do PPPL sugerem que as partículas que escapam do plasma central dentro de um tokamak colidem com uma área maior do tokamak do que se pensava, reduzindo bastante o risco de danos.
Pesquisas anteriores baseadas na física e em dados experimentais dos tokamaks atuais sugeriram que o calor do escapamento se concentraria em uma faixa muito estreita ao longo de uma parte da parede do tokamak conhecida como placas divertoras.
Dedicado à remoção do calor de exaustão e das partículas do plasma em chamas, o divertor é fundamental para o desempenho de um tokamak.
“Se todo esse calor atingir essa área estreita, essa parte da placa divertora será danificada muito rapidamente”, disse Chang, que trabalha no Departamento de Teoria do PPPL.
“Isso pode significar períodos frequentes de inatividade.
Mesmo que você esteja apenas substituindo esta peça da máquina, não será rápido.” O problema não impediu a operação dos tokamaks existentes, que não são tão poderosos quanto aqueles que serão necessários para um reator de fusão em escala comercial.
No entanto, nas últimas décadas, tem havido uma preocupação significativa de que um dispositivo em escala comercial criaria plasmas tão densos e quentes que as placas divertoras poderiam ser danificadas.
Um plano proposto envolvia a adição de impurezas à borda do plasma para irradiar a energia do plasma que escapava, reduzindo a intensidade do calor que atingia o material do divertor, mas Chang disse que este plano ainda era desafiador.
Simulando a rota de fuga
Chang decidiu estudar como as partículas estavam escapando e onde elas pousariam em um dispositivo como o ITER, a instalação multinacional de fusão em montagem na França.
Para fazer isso, seu grupo criou uma simulação de plasma usando um código de computador conhecido como Código Girocinético Incluído no Ponto X (XGC).
Este código é um dos vários desenvolvidos e mantidos pela PPPL que são usados para pesquisas de plasma de fusão.
A simulação mostrou como as partículas de plasma viajavam através da superfície do campo magnético, que deveria ser a fronteira que separa o plasma confinado do plasma não confinado, incluindo o plasma na região do divertor.
Esta superfície do campo magnético – gerada por ímãs externos – é chamada de última superfície de confinamento.
Algumas décadas atrás, Chang e seus colegas descobriram que partículas carregadas conhecidas como íons cruzavam essa barreira e atingiam as placas divertoras.
Mais tarde, eles descobriram que esses íons escapando estavam fazendo com que a carga de calor se concentrasse em uma área muito estreita das placas divertoras.
Há alguns anos, Chang e seus colegas descobriram que a turbulência do plasma pode permitir que partículas carregadas negativamente, chamadas elétrons, cruzem a última superfície de confinamento e aumentem a carga de calor em 10 vezes nas placas divertoras do ITER.
No entanto, a simulação ainda assumiu que a última superfície de confinamento não foi perturbada pela turbulência do plasma.
“No novo artigo, mostramos que a última superfície de confinamento é fortemente perturbada pela turbulência do plasma durante a fusão, mesmo quando não há distúrbios causados por bobinas externas ou instabilidades abruptas do plasma”, disse Chang.
“Não existe uma boa superfície de último confinamento devido à perturbação louca e turbulenta da superfície magnética chamada emaranhados homoclínicos.” Na verdade, Chang disse que a simulação mostrou que os elétrons conectam a borda do plasma principal aos plasmas divertores.
O caminho dos elétrons, à medida que seguem o caminho desses emaranhados homoclínicos, alarga a zona de choque térmico 30% mais do que a estimativa de largura anterior baseada apenas na turbulência.
“Isso significa que é ainda menos provável que a superfície do divertor seja danificada pelo calor de exaustão quando combinada com o resfriamento radiativo dos elétrons pela injeção de impurezas no plasma do divertor.
A pesquisa também mostra que os emaranhados homoclínicos turbulentos podem reduzir a probabilidade de instabilidades abruptas na borda do plasma, à medida que enfraquecem a sua força motriz.” “Não se deve confiar na última superfície de confinamento em um tokamak”, disse Chang.
“Mas, ironicamente, isso pode aumentar o desempenho da fusão, reduzindo o risco de danos à superfície do divertor na operação em estado estacionário e eliminando a explosão transitória de energia do plasma para a superfície do divertor devido às instabilidades abruptas do plasma na borda, que são duas das preocupações que mais limitam o desempenho em futuros reatores tokamak comerciais.”
Publicado em 21/06/2024 12h56
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