Uma nova lei fundamental libera energia de fusão

Ilustração de plasma ionizado em forma de nuvem no reator de fusão ITER tokamak. Crédito da foto: ITE

Como parte de uma grande colaboração europeia, os físicos da EPFL revisaram uma das leis básicas que formaram a base para este[{” attribute=””>plasma and fusion research for over three decades, even governing the design of megaprojects like ITER. The update demonstrates that we can actually safely utilize more hydrogen fuel in fusion reactors, and therefore obtain more energy than previously thought.

Fusion is one of the most promising future energy sources . It involves two atomic nuclei merging into one, thereby releasing enormous amounts of energy. In fact, we experience fusion every day: the Sun’s warmth comes from hydrogen nuclei fusing into heavier helium atoms.

There is currently an international fusion research megaproject called ITER that seeks to replicate the fusion processes of the Sun to create energy on the Earth. Its goal is to generate high-temperature plasma that provides the right environment for fusion to occur, producing energy.

Plasmas — an ionized state of matter similar to a gas – are made up of positively charged nuclei and negatively charged electrons, and are almost a million times less dense than the air we breathe. Plasmas are created by subjecting “the fusion fuel” – hydrogen atoms – to extremely high temperatures (10 times that of the core of the Sun), forcing electrons to separate from their atomic nuclei. In a fusion reactor, the process takes place inside a donut-shaped (“toroidal”) structure called a “tokamak.”

The tokamak thermonuclear fusion reactor at Swiss Plasma Center. Credit: Alain Herzog (EPFL)

“In order to create plasma for fusion, you have to consider three things: high temperature, high density of hydrogen fuel, and good confinement,” says Paolo Ricci at the Swiss Plasma Center, one of the world’s leading research institutes in fusion located at École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL).

Working within a large European collaboration, Ricci’s team has now released a study updating a foundational principle of plasma generation – and showing that the upcoming ITER tokamak can actually operate with twice the amount of hydrogen and therefore generate more fusion energy than previously thought.

“One of the limitations in making plasma inside a tokamak is the amount of hydrogen fuel you can inject into it,” says Ricci. “Since the early days of fusion, we’ve known that if you try to increase the fuel density, at some point there would be what we call a ‘disruption’ – basically you totally lose the confinement, and plasma goes wherever. So in the eighties, people were trying to come up with some kind of law that could predict the maximum density of hydrogen that you can put inside a tokamak.”

Uma resposta veio em 1988, quando o cientista de fusão Martin Greenwald publicou uma famosa lei relacionando a densidade do combustível ao menor raio do tokamak (o raio do círculo interno do donut) e a corrente que flui no plasma dentro do tokamak. Desde então, o “limite de Greenwald” tem sido um princípio básico da pesquisa de fusão; De fato, a estratégia de construção de tokamak do ITER é baseada nele.

“Greenwald derivou a lei empiricamente, isto é, inteiramente de dados experimentais – não testou teoria ou o que chamaríamos de ‘primeiros princípios'”, explica Ricci. “No entanto, a fronteira funcionou muito bem para a pesquisa. E em alguns casos, como o DEMO (o sucessor do ITER), essa equação representa um grande limite para sua operação, pois afirma que a densidade do combustível não pode ser aumentada além de um determinado nível.”

Em colaboração com outras equipes de tokamak, o Swiss Plasma Center projetou um experimento no qual foi possível usar tecnologia sofisticada para controlar com precisão a quantidade de combustível injetada em um tokamak. Os experimentos massivos foram realizados nos maiores tokamaks do mundo, o Joint European Torus (JET) no Reino Unido, bem como o ASDEX Upgrade na Alemanha (Max Plank Institute) e o próprio tokamak TCV da EPFL. Este grande esforço experimental foi possibilitado pelo consórcio EUROfusion, a organização europeia que coordena a pesquisa de fusão na Europa e na qual a EPFL está agora envolvida através do Instituto Max Planck de Física de Plasma na Alemanha.

Ao mesmo tempo, Maurizio Giacomin, aluno de doutorado do grupo de Ricci, começou a analisar os processos físicos que limitam a densidade em tokamaks para derivar uma lei de primeiro princípio que possa correlacionar a densidade do combustível e o tamanho dos tokamaks. No entanto, parte disso envolveu o uso de uma simulação avançada do plasma, feita com um modelo computacional.

“As simulações usam alguns dos maiores computadores do mundo, como os fornecidos pelo CSCS, o Centro Nacional Suíço de Supercomputação e o EUROfusion”, diz Ricci. “E o que descobrimos através de nossas simulações foi que quando você adiciona mais combustível ao plasma, porque o plasma se torna mais turbulento, partes dele se movem da camada externa fria do tokamak, o limite, de volta ao seu núcleo. Ao contrário de um fio elétrico de cobre, que se torna mais resistente quando aquecido, os plasmas tornam-se mais resistentes quando resfriados. Portanto, quanto mais combustível você encher na mesma temperatura, mais partes dele esfriarão – e mais difícil será para a corrente fluir no plasma, potencialmente levando a um mau funcionamento.”

Isso era difícil de simular. “Turbulência em um líquido é, na verdade, a questão em aberto mais importante na física clássica”, diz Ricci. “Mas a turbulência em um plasma é ainda mais complicada porque também existem campos eletromagnéticos”.

No final, Ricci e seus colegas conseguiram decifrar o código e colocar “caneta no papel” para derivar uma nova equação para limitação de combustível em um tokamak que concorda muito bem com os experimentos. Publicado na revista Cartas de Verificação Física em 6 de maio de 2022, faz jus ao limite de Greenwald por estar próximo a ele, mas o atualiza de maneira significativa.

A nova equação assume que o limite de Greenwald em termos de combustível no ITER pode ser aumentado quase duas vezes; Isso significa que tokamaks como o ITER podem realmente usar quase o dobro da quantidade de combustível para gerar plasmas sem se preocupar com interferências. “Isso é importante porque mostra que a densidade que você pode alcançar em um tokamak aumenta com a potência necessária para operá-lo”, diz Ricci. “Na verdade, o DEMO operará com uma potência muito maior do que os tokamaks atuais e o ITER, o que significa que, ao contrário da lei de Greenwald, você pode adicionar mais densidade de combustível sem limitar a potência”. E isso é uma notícia muito boa.”

Referência: “First-Principles Density Limit Scaling in Tokamaks Based on Edge Turbulent Transport and Implications for ITER” por M Giacomin, A Pau, P Ricci, O Sauter, T Eich, a equipe de atualização ASDEX, JET Contributors e a equipe TCV, 6 de maio de 2022, Cartas de Verificação Física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.185003

Lista de contribuidores

• Centro Suíço de Plasma EPFL
• Instituto Max Planck de Física de Plasma
• Equipe EPFL TCV
• Equipe de atualização ASDEX
• Contribuintes do JET

Financiamento: consórcio EUROfusion (programa de investigação e formação Euratom), Swiss National Science Foundation (SNSF)