Uma forma de controlar o tamanho das instabilidades no plasma dos reatores de fusão foi descoberta por uma equipe internacional de pesquisadores. Grandes instabilidades podem danificar um reator, enquanto pequenas instabilidades podem ser úteis para remover resíduos de hélio do plasma. Portanto, a descoberta poderia fornecer orientações importantes para a operação de reatores de fusão em larga escala.
A fusão de núcleos de hidrogénio num plasma confinado magneticamente poderia fornecer grandes quantidades de energia amiga do ambiente. No entanto, controlar o plasma superquente continua a ser um desafio significativo.
Nos reatores tokamak em forma de donut, mais amplamente utilizados nos atuais experimentos de fusão, o plasma é confinado por fortes campos magnéticos. Isto gera gradientes de pressão acentuados entre a borda do plasma e as paredes do reator. Se o gradiente de pressão na borda for muito grande, pode levar a instabilidades chamadas modos localizados na borda (ELMs). Estes emitem rajadas de partículas e energia que podem causar sérios danos às paredes do reator.
Este último estudo foi liderado por George Harrer na Universidade Técnica de Viena. Para estudar as condições que criam os ELMs, a equipe realizou experimentos no tokamak ASDEX Upgrade no Instituto Max Planck de Física de Plasma, na Alemanha.
Aumentando a densidade plasmática
Eles descobriram que ELMs grandes podem ser evitados aumentando a densidade do plasma, resultando em ELMs menores que ocorrem com mais frequência. Além de causar menos danos, pequenos ELMs poderiam ajudar a remover resíduos de hélio do plasma.
O resultado recorde do JET e a busca pela energia de fusão
A equipe também descobriu que em altas densidades de plasma, o surgimento de ELMs pode ser controlado ajustando a topologia das linhas do campo magnético que confinam o plasma. Em um tokamak, essas linhas de campo enrolam-se helicoidalmente ao redor do plasma, o que significa que as forças que transmitem alternam na direção em relação aos gradientes de pressão. Em algumas regiões do plasma, as forças atuam contra a instabilidade, enquanto em outras regiões as forças estimulam a instabilidade. Este trade-off pode ser caracterizado por um limite de instabilidade, que define o gradiente de pressão mínimo necessário para criar ELMs.
Harrer e colegas descobriram que o aumento do enrolamento helicoidal do campo magnético aumentou o limiar de instabilidade – e, portanto, reduziu a produção de ELM. Além disso, o aumento do cisalhamento magnético na borda do plasma levou a um limiar de instabilidade maior. O cisalhamento magnético é o ângulo entre duas linhas de campo magnético que se cruzam.
Usar um plasma com um grande gradiente de pressão aumenta o ganho de energia de fusão de um reator de fusão, sendo a compensação um risco crescente de danos ao ELM. No entanto, pequenos ELMs podem ser úteis para expelir resíduos de hélio. Como resultado, estes fenómenos devem ser cuidadosamente equilibrados para optimizar a operação de futuros reactores de fusão. Esta pesquisa mais recente fornece informações importantes sobre como isso pode ser feito.
A equipe relata suas descobertas em Physical Review Letters.
