Da Assessoria de Comunicação do Instituto de Física da USP:
Trabalho resultante de colaboração firmada entre as Universidades de São Paulo e de Princeton é destacado pelo American Institute of Physics
Artigo liderado por ex-aluno de doutoramento do IFUSP promove entendimento inédito sobre instabilidades que colocam em risco o funcionamento de futuros reatores a fusão nuclear. A descoberta foi recentemente comprovada através de experimentos específicos realizados na maior máquina tokamak dos EUA.
Entre as várias aplicações da Física de Plasmas, destaca-se a pesquisa que visa a viabilidade do uso da fusão termonuclear controlada como uma futura fonte de energia limpa e praticamente ilimitada. Encontra-se em construção no sul da França o experimento ITER, formado por um consórcio internacional e atualmente orçado em cerca de 20 bilhões de euros. O empreendimento ITER, cuja configuração toroidal é conhecida como tokamak, recentemente alcançou a marca de metade de sua construção concluída.
O confinamento de íons rápidos (íons com energias muito maiores que a energia térmica) é considerado um dos pontos cruciais para que o ITER alcance o breakeven (quando a energia gerada pelas reações de fusão consegue compensar a energia necessária para se aquecer o plasma) e, com isso, mostrar a viabilidade científica de reatores a fusão nuclear.
Plasmas são formados por partículas carregadas eletricamente e, por isso, respondem aos estímulos eletromagnéticos. A combinação entre seu comportamento como um fluido e de sua resposta a campos magnéticos aplicados rende ao plasma um modo próprio de oscilação conhecido como modo de Alfvén. Este modo, ou onda, foi previsto em 1942 e rendeu a Hannes Alfvén, o Prêmio Nobel de Física de 1970. As ondas de Alfvén podem interagir ressonantemente com os íons rápidos (através do mecanismo conhecido como amortecimento de Landau) de maneira instável e gerar a indesejável ejeção dessas partículas para fora do plasma, o que compromete a continuidade das reações de fusão nuclear. A forma pela qual os íons rápidos são tipicamente ejetados, de maneira difusiva ou convectiva, é diretamente relacionada à forma espectral de oscilação das ondas de Alfvén (tipicamente com frequência quase-estacionária ou com frequência variando rapidamente, num processo chamado chirping, respectivamente).
O controle e, consequentemente, a mitigação da amplitude de tais instabilidades é uma das principais pautas de pesquisa associadas ao experimento ITER. Caso a perda de partículas seja substancial, o funcionamento do reator fica altamente comprometido. Apesar de haver um entendimento teórico genérico de que a evolução dessas ondas está relacionada à capacidade de se manter “pacotes” coerentes de partículas ressonantes no plasma, nunca existiu entendimento em relação aos fatores-chave que determinam a natureza da evolução das ondas em experimentos reais de tokamaks. O mecanismo que afeta a transição de ondas de Alfvén entre as duas respostas espectrais típicas foi recentemente identificado dentro da colaboração “Unveiling Efficient Ways to Relax the Energetic Particle Profiles due to Alfvenic Eigenmodes in Burning Plasmas”, liderada pelo Prof. Ricardo Galvão, do Laboratório de Física de Plasmas da USP, e pelo Dr. Nikolai Gorelenkov, do Laboratório de Física de Plasmas de Princeton.
Os pesquisadores, utilizando teoria e simulações computacionais, predisseram que a turbulência que afeta a dinâmica dos íons rápidos (normalmente não contabilizada em estudos da área) seria o fator-chave para o comportamento das ondas de Alfvén. A comparação com os dados experimentais disponíveis até então mostrou que esta seria uma explicação condizente com as observações. Interessados em testar a fundo a predição reportada no artigo publicado na revista Physics of Plasmas, pesquisadores do maior tokamak dos EUA, o DIII-D, propuseram e realizaram experimentos específicos em que puderam variar os níveis de turbulência do plasma.
Os resultados mostraram que as oscilações em forma de chirping são comuns em descargas com baixa turbulência e raras em condições de alta turbulência, em consonância com o modelo proposto pelo Dr. Vinícius Duarte em sua tese de doutoramento. Verificou-se, portanto, que de fato a turbulência é mediadora da natureza espectral das ondas. A descoberta permitirá antecipar os cenários esperados para o ITER, além de direcionar esforços de modelagem específicos de tais cenários.
Referências:
Scilight do American Institute of Physics: http://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5018736
Artigo: http://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5007811
Contatos:
Vinícius N. Duarte – E-mail: vduarte@pppl.gov
Ricardo M. O. Galvão – E-mail: rgalvao@if.usp.br
A pesquisa aqui reportada ocorreu dentro da colaboração USP-Princeton “Unveiling Efficient Ways to Relax the Energetic Particle Profiles due to Alfvenic Eigenmodes in Burning Plasmas” e recebeu apoio da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP), através dos processos 2012/22830-2 e 2014/03289-4, e do Departamento de Energia dos EUA, através dos contratos DE-AC02-09CH11466 e DE-FC02-04ER54698.
