Cientistas que trabalham com o Tokamak Supercondutor Avançado Experimental Chinês (EAST) totalmente supercondutor alcançaram com sucesso o há muito teorizado “regime livre de densidade” em experimentos de plasma de fusão. Neste estado, o plasma permanece estável, mesmo que a sua densidade exceda em muito os limites tradicionais. Resultados publicados em Conquistas da ciência O dia 1 de Janeiro lançará uma nova luz sobre como uma das barreiras físicas mais obstinadas à energia de fusão poderá finalmente ser ultrapassada no seu caminho para a ignição.
A pesquisa foi liderada conjuntamente pelo Professor Ping Zhu da Universidade de Ciência e Tecnologia de Huazhong e pelo Professor Associado Ning Yan do Instituto de Ciências Físicas de Hefei, Academia Chinesa de Ciências. Ao desenvolver uma nova abordagem operacional de alta densidade para o EAST, a equipe mostrou que as densidades do plasma podem ser levadas muito além dos limites empíricos de longa data sem desencadear as instabilidades destrutivas que normalmente encerram os experimentos. A descoberta desafia décadas de suposições sobre como o plasma tokamak se comporta em altas densidades.
Por que as restrições de densidade impediram o Fusion
A fusão nuclear é amplamente considerada uma fonte potencial de energia limpa e sustentável. Na fusão deutério-trítio, o combustível deve ser aquecido a cerca de 13 keV (150 milhões de Kelvin) para atingir condições ideais. Nessas temperaturas, o poder de fusão aumenta com o quadrado da densidade do plasma. Apesar desta vantagem, os experimentos takamak há muito são limitados por um limite superior de densidade. Se esse limite for ultrapassado, o plasma muitas vezes fica instável, o que rompe a contenção e ameaça o funcionamento do aparelho. Estas instabilidades têm sido um grande obstáculo à melhoria do desempenho termonuclear.
Uma nova estrutura teórica conhecida como auto-organização da parede de plasma (PWSO) oferece outra explicação para o surgimento dos limites de densidade. O conceito foi proposto pela primeira vez por DF Escande et al. do Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica e da Universidade de Aix-Marseille. De acordo com a teoria PWSO, um regime livre de densidade pode ocorrer quando a interação entre o plasma e as paredes metálicas do reator atinge um estado cuidadosamente equilibrado. Neste regime, a pulverização catódica física desempenha um papel dominante na formação do comportamento do plasma.
As experiências EAST forneceram a primeira confirmação experimental desta ideia teórica. Os pesquisadores controlaram cuidadosamente a pressão inicial do gás combustível e aplicaram aquecimento por ressonância do ciclotron eletrônico durante a fase de lançamento de cada descarga. Esta estratégia permitiu otimizar desde o início a interação entre o plasma e a parede. Como resultado, o acúmulo de impurezas e a perda de energia foram significativamente reduzidos, permitindo que a densidade do plasma aumentasse de forma constante até o final da corrida. Sob estas condições, o EAST entrou com sucesso no regime livre de densidade previsto pelo PWSO, onde a operação estável foi mantida mesmo em densidades bem acima dos limites empíricos.
Implicações para ignição termonuclear
Esses resultados experimentais oferecem uma nova visão física sobre como a barreira de densidade de longa data na operação do tokamak pode ser violada na busca pela ignição termonuclear.
“Os resultados mostram uma maneira prática e escalável de expandir os limites de densidade em tokamaks e dispositivos de plasma de fusão de próxima geração”, disse o professor Zhu.
Associado Pró. Yang acrescentou que a equipe planeja aplicar a mesma abordagem durante o trabalho de alta concentração no EAST em um futuro próximo, com o objetivo de alcançar um regime livre de densidade sob condições de plasma de alto desempenho.
