Íons rápidos em reatores de fusão eAs ondas de plasma realizam transferências complexas de energia, nas quais a ressonância e o impacto da colisão desempenham um papel importante. Esse entendimento é fundamental para manter as temperaturas ideais do plasma e avançar na tecnologia de energia de fusão.Assim como existem ondas no oceano, as ondas são criadas em um gás carregado feito de elétrons e íons, chamado plasma. No oceano, quando as pessoas surfam, a velocidade da prancha é quase igual à velocidade das ondas. Esta condição de correspondência, conhecida como ressonância, permite que as ondas impulsionem efetivamente o surfista através de uma troca de energia.

Ilustração esquemática da interação de íons rápidos (espirais pretas) com ondas de plasma (cor) em um experimento de fusão nuclear. Fonte: Steve Allen (Lawrence Livermore National Laboratory), adaptado por Mike Van Zeeland (General Atomics)

Nos plasmas, os "surfistas" podem ser íons muito rápidos que podem aparecer em dispositivos de fusão nuclear como resultado de reações de fusão ou outros processos usados ​​para aquecer o plasma. Esses íons rápidos costumam fazer o oposto do que os surfistas fazem no oceano – eles fornecem energia às ondas, tornando-as maiores. À medida que as partículas ressonantes trocam energia com as ondas, elas também são comprimidas por outras partículas no plasma através de colisões aleatórias.

O tipo e a frequência dessas colisões determinam o tamanho das ondas e o quanto as partículas tremem. Se as ondas forem muito grandes ou excessivas, elas podem expulsar partículas de surf do dispositivo, causando potencialmente perigo às paredes, ao mesmo tempo que reduzem a quantidade de energia de fusão produzida.

Desafios do reator de fusão

O plasma em um reator de fusão deve ser constantemente aquecido para manter a temperatura necessária para produzir energia. No entanto, os íons rápidos que aquecem o plasma também ressoam com as ondas do plasma. Isso faz com que essas ondas cresçam e potencialmente expulsem íons rápidos do dispositivo.

Os pesquisadores precisam compreender as interações ressonantes entre íons rápidos e ondas de plasma para prever e mitigar quaisquer efeitos adversos. O estudo combina cálculos matemáticos com simulações de computador para revelar como diferentes tipos de colisões competem para determinar como a energia é transferida entre partículas ressonantes e ondas de plasma.

Os investigadores estão a utilizar esta nova compreensão para desenvolver modelos de como manter o plasma quente o suficiente para sustentar reações de fusão nuclear. O problema do plasma onda-partícula ressonante também está relacionado a certas interações gravitacionais nas galáxias. Isto significa que os métodos do projeto poderão ser aplicados à investigação em astrofísica, incluindo a investigação da matéria escura.

Compreendendo colisões rápidas de íons

Em experimentos de fusão nuclear, os íons rápidos transferem sua energia para o plasma de fundo ao colidir com os elétrons, mantendo assim o plasma quente o suficiente para a fusão nuclear. Existem dois tipos diferentes de colisões: espalhamento difusivo e arrasto convectivo. As colisões de difusão são o mesmo tipo de dispersão das bolas de bilhar em uma mesa de sinuca. Ao mesmo tempo, você sente o impacto do arrasto ao colocar a mão para fora da janela de um carro em movimento.

Dependendo da velocidade dos íons rápidos e da temperatura do plasma, cada colisão terá um impacto maior no comportamento dos íons rápidos. Especificamente, quanto maior a velocidade dos íons rápidos, maior a resistência, e quanto maior a temperatura do plasma, mais favorável é a difusão.

Embora os íons rápidos aqueçam o plasma de fundo por meio de colisões, eles também ressoam com ondas de plasma que dissipam sua energia, potencialmente resfriando o plasma. Na ausência de quaisquer colisões, a ressonância entre íons rápidos e ondas só ocorre quando a velocidade da partícula corresponde exatamente à velocidade da onda.

Os cientistas sabem há muito tempo que as colisões difusivas funcionam para “apagar” as ressonâncias, trocando efetivamente energia com a onda, mesmo que as partículas se movam um pouco mais rápido ou mais devagar que a onda. A nova descoberta deste estudo é que quando o arrasto está presente, esta colisão altera a velocidade em que ocorre a ressonância, o que significa que a troca de energia é na verdade mais eficiente quando as velocidades dos íons rápidos e das ondas de plasma são muito diferentes.

O papel da função de ressonância

No estudo, os pesquisadores caracterizaram a força das interações onda-partícula usando um objeto matemático chamado função de ressonância, que depende da diferença entre a velocidade da onda e a velocidade da partícula.

Quando as colisões de arrasto ocorrem com mais frequência do que as colisões de difusão, ocorre um fenómeno ainda mais estranho - a transferência eficiente de energia torna-se possível a velocidades inteiramente novas. Na verdade, esse fenômeno cria novas ressonâncias que não existiriam sem resistência, manifestando-se como novos picos na função de ressonância e expandindo a gama de interações ressonantes.

A função de ressonância, que é inteiramente derivada da teoria, determina quão grandes as ondas se tornarão depois que a energia livre for colhida dos íons rápidos em ressonância, e também determina como essas partículas serão impulsionadas pelas ondas. Os resultados da simulação computacional não linear estão em excelente concordância com as previsões teóricas, confirmando que a função de ressonância derivada é válida para qualquer combinação das duas colisões e aprofundando nossa compreensão fundamental de como as colisões afetam a interação de ondas ressonantes com partículas em plasmas.

Com a teoria básica validada, ela pode agora ser usada com segurança para melhorar os códigos usados ​​para simular o comportamento de íons rápidos em dispositivos de fusão, um passo crítico no caminho para o desenvolvimento de usinas de energia de fusão comerciais.

Compilado de /ScitechDaily