Uma equipe modelou a turbulência do plasma no supercomputador mais rápido do país para entender melhor o comportamento do plasma.
O mesmo processo que alimenta as estrelas poderia um dia ser usado para gerar grandes quantidades de energia aqui na Terra. A fusão nuclear – na qual os núcleos atômicos se fundem para formar núcleos mais pesados e liberar energia no processo – promete ser uma forma de energia segura, sustentável e de longo prazo. Mas os cientistas ainda estão tentando ajustar o processo de criação de energia de fusão líquida.
Uma equipe liderada pela física computacional Emily Belli da General Atomics usou o supercomputador Summit de 200 petaflop no Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), um escritório do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE), instalação de usuários do Laboratório Nacional Oak Ridge (ORNL) ), para simular a perda de energia em plasmas de fusão. A equipe usou o Summit para modelar a turbulência do plasma, o movimento instável do plasma, em um dispositivo de fusão nuclear chamado tokamak. As simulações da equipe ajudarão a informar o projeto de tokamaks de próxima geração, como o ITER, com propriedades de confinamento ideais. O ITER é o maior tokamak do mundo, que está sendo construído no sul da França.
“A turbulência é o principal mecanismo pelo qual as perdas de partículas acontecem no plasma”, disse Belli. “Se você deseja gerar um plasma com propriedades de confinamento realmente boas e com bom poder de fusão, é necessário minimizar a turbulência. Turbulência é o que move as partículas e a energia para fora do núcleo quente onde ocorre a fusão.”
Os resultados da simulação, que foram publicados na Physics of Plasmas no início deste ano, forneceram estimativas para as perdas de partículas e calor esperadas em tokamaks e reatores futuros. Os resultados ajudarão cientistas e engenheiros a entender como obter os melhores cenários operacionais em tokamaks da vida real.
Um ato de equilíbrio
Na fusão que ocorre em estrelas como o nosso Sol, dois íons de hidrogênio (ou seja, partículas de prótons carregadas positivamente) se fundem para formar íons de hélio. No entanto, em experimentos na Terra, os cientistas devem usar isótopos de hidrogênio para criar a fusão. Cada isótopo de hidrogênio tem uma partícula de próton carregada positivamente, mas diferentes isótopos carregam diferentes números de nêutrons. Essas partículas neutras não têm carga, mas adicionam massa ao átomo.
Tradicionalmente, os físicos usaram deutério puro – um isótopo de hidrogênio com um nêutron – para gerar a fusão. O deutério está prontamente disponível e é mais fácil de manusear do que o trítio, um isótopo de hidrogênio com dois nêutrons. No entanto, os físicos sabem há décadas que o uso de uma mistura de 50 por cento de deutério e 50 por cento de trítio produz a maior saída de fusão na temperatura mais baixa.
“Mesmo sabendo que essa mistura dá a maior quantidade de saída de fusão, quase todos os experimentos das últimas décadas usaram apenas deutério puro”, disse Belli. “Experimentos com essa mistura foram feitos apenas algumas vezes nas últimas décadas. A última vez que isso foi feito foi há mais de 20 anos.”
Para garantir que o plasma fique confinado em um reator e que a energia não seja perdida, tanto o deutério quanto o trítio na mistura devem ter fluxos de partículas iguais, um indicador de densidade. Os cientistas pretendem manter uma densidade de 50-50 em todo o núcleo do tokamak.
“Você quer que o deutério e o trítio permaneçam no núcleo quente para maximizar o poder de fusão”, disse Belli.
Simulações de fusão de poderes de supercomputação
Para estudar o fenômeno, a equipe competiu e ganhou alocações de computação no Summit por meio de dois programas de alocação no OLCF. Estes foram o Advanced Scientific Computing Research Leadership Computing Challenge, ou ALCC, e o Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment, ou INCITE, programas.
Os pesquisadores modelaram a turbulência do plasma na Summit usando o código CGYRO desenvolvido por Jeff Candy, diretor de teoria e ciências computacionais da General Atomics e co-investigador principal do projeto. CGYRO foi desenvolvido em 2015 a partir do código de física computacional de plasma legado GYRO. Os desenvolvedores projetaram o CGYRO para ser compatível com o sistema Summit da OLCF, que estreou em 2018.
“Percebemos em 2015 que queríamos atualizar nossos modelos para lidar melhor com esses regimes de plasma autossustentável e para lidar com as múltiplas escalas que surgem quando você tem diferentes tipos de íons e elétrons, como nesses plasmas de deutério-trítio”, disse Belli . “Ficou claro que se quiséssemos atualizar nossos modelos e otimizá-los altamente para arquiteturas de próxima geração, deveríamos começar do zero e reescrever completamente o código. Foi isso que fizemos.”
Com a Summit, a equipe poderia incluir ambos os isótopos – deutério e trítio – em suas simulações.
“Até agora, quase todas as simulações incluíram apenas um desses isótopos – deutério ou trítio”, disse Belli. “O poder da Summit nos permitiu incluir as duas espécies separadas, modelar as dimensões completas do problema e resolvê-lo em diferentes escalas temporais e espaciais.”
Resultados para o mundo real
Experimentos usando misturas de combustível de deutério-trítio estão sendo realizados pela primeira vez desde 1997 no Joint European Torus (JET), uma instalação de pesquisa de fusão no Centro Culham para Energia de Fusão em Oxfordshire, Reino Unido. Os experimentos nas instalações do JET ajudarão cientistas e engenheiros a desenvolver práticas de controle de combustível para manter uma proporção de 50-50 de deutério para trítio. Belli disse que provavelmente será a última vez que experimentos de deutério-trítio serão executados até que o ITER, o maior tokamak do mundo, seja construído.
“A equipe experimental está obtendo resultados enquanto conversamos e, nos próximos meses, os dados serão analisados”, disse Belli.
Os resultados darão aos cientistas uma ideia melhor do comportamento do combustível deutério-trítio para um reator de fusão prático.
“Este combustível oferece a maior saída de fusão na temperatura mais baixa, então você não precisa aquecê-lo tão quente para obter uma quantidade enorme de energia de fusão dele”, disse Belli.
“Como já faz muito tempo que esse tipo de experimento não é feito, nossas simulações são importantes para prever o comportamento dessa mistura de combustível para o ITER. A Summit está nos dando o poder para fazer exatamente isso.”
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