Os cientistas descobriram que a adição de um agente de limpeza doméstico comum – o mineral boro contido em produtos de limpeza como o bórax – pode melhorar muito a capacidade de alguns dispositivos de energia de fusão de conter o calor necessário para produzir reações de fusão na Terra da maneira que o sol e as estrelas fazem.
Físicos do Departamento de Energia dos EUA (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), trabalhando com pesquisadores japoneses, fizeram a observação no Large Helical Device (LHD) no Japão, uma instalação magnética sinuosa que os japoneses chamam de “heliotron”. Os resultados demonstraram pela primeira vez um novo regime de confinamento de calor em instalações conhecidas como stellarators, semelhantes ao heliotron. As descobertas podem avançar o design sinuoso como um modelo para futuras usinas de fusão.
Maior confinamento
Os pesquisadores produziram o regime de confinamento mais alto injetando pequenos grãos de pó de boro no plasma LHD que alimenta as reações de fusão. A injeção através de um conta-gotas instalado em PPPL reduziu drasticamente os redemoinhos e redemoinhos turbulentos e aumentou o calor confinado que produz as reações.
“Podemos ver esse efeito muito claramente”, disse o físico do PPPL Federico Nespoli, principal autor de um artigo que detalhou o processo na revista Nature Physics. “Quanto mais energia colocarmos no plasma, maior será o aumento do calor e do confinamento, o que seria ideal em condições reais de reator”.
Disse David Gates, físico de pesquisa principal do PPPL que chefia o Departamento de Projetos Avançados que supervisionou o trabalho: “Estou muito animado com esses excelentes resultados que Federico escreveu neste importante artigo sobre nossas colaborações com a equipe do Large Helical Device . Quando lançamos este projeto – o LHD Impurity Powder Dropper – em 2018, esperávamos que pudesse haver um efeito no confinamento de energia. As observações são ainda melhores do que esperávamos com a supressão de turbulência em uma grande fração do raio do plasma. sou muito grato aos nossos colegas japoneses por nos darem a oportunidade de nossa equipe participar desses experimentos.”
As descobertas também encantaram os pesquisadores japoneses. “Estamos muito satisfeitos e empolgados em obter esses resultados”, disse Masaki Osakabe, diretor executivo do projeto LHD e consultor científico para pesquisa de fusão nuclear do MEXT, o ministério japonês responsável pela energia nuclear. “Também estamos honrados em ser colaboradores do PPPL”, disse Osakabe. “As descobertas reveladas com esta colaboração fornecerão uma boa ferramenta para controlar o plasma de alto desempenho em um reator de fusão”.
Conceito promissor
Stellarators, construídos pela primeira vez na década de 1950 sob o fundador da PPPL, Lyman Spitzer, são um conceito promissor que há muito persegue as instalações magnéticas simétricas chamadas tokamaks como o principal dispositivo para produzir energia de fusão. Um histórico de confinamento de calor relativamente fraco desempenhou um papel na retenção de stellarators, que podem operar em estado estacionário com pouco risco de interrupções de plasma que os tokamaks enfrentam.
A fusão combina elementos leves na forma de plasma – o estado quente e carregado da matéria composto de elétrons livres e núcleos atômicos, ou íons, que compõem 99% do universo visível – para liberar grandes quantidades de energia. Tokamaks e stellarators são os principais projetos magnéticos para cientistas que buscam colher energia de fusão segura, limpa e praticamente ilimitada para gerar energia de fusão para a humanidade.
Embora o boro seja usado há muito tempo para condicionar paredes e melhorar o confinamento em tokamaks, os cientistas não viram anteriormente “uma redução generalizada da turbulência e aumento da temperatura como o relatado neste artigo”, segundo o artigo. Além disso, ausentes das observações estavam explosões prejudiciais de calor e partículas, chamadas modos localizados de borda (ELMs), que podem ocorrer em tokamaks e stellarators durante experimentos de fusão de alto confinamento, ou modo H.
A notável melhoria de calor e confinamento no plasma LHD pode ter resultado da redução do que é chamado de instabilidade do gradiente de temperatura de íons (ITG), disse o artigo, que produz turbulência que faz com que o plasma vaze do confinamento. A redução da turbulência contrasta com um tipo de perda de calor chamado “transporte neoclássico”, a outra causa principal de partículas escapando do confinamento estelar.
Nova rodada
Uma nova rodada de experimentos de LHD está em andamento para testar se a melhoria no calor e no confinamento continua para uma faixa maior de taxas de injeção de massa, densidade de plasma e potência de aquecimento. Nespoli e colegas também gostariam de ver se o pó de carbono pode funcionar tão bem quanto o boro. “O boro cria um revestimento na parede que é bom para o confinamento e o carbono não fará isso”, disse ele. “Queremos ver se todo o pó é bom ou se é o boro que melhora as condições.”
Objetivos adicionais incluem avaliar a capacidade do boro de melhorar o desempenho do plasma durante a operação do LHD em estado estacionário, que é capaz de descargas de plasma extremamente longas de até uma hora. Tais experimentos podem produzir novas evidências do valor do design do stellarator daqui para frente.
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