O “sol artificial” da China acabou de quebrar um limite de fusão que os cientistas consideravam inquebrável
Cientistas que trabalham com o Tokamak Experimental Advanced Superconducting (EAST) totalmente supercondutor da China alcançaram com sucesso um “regime livre de densidade” há muito teorizado em experimentos de plasma de fusão. Neste estado, o plasma permanece estável mesmo quando a sua densidade aumenta muito além dos limites tradicionais. Os resultados, publicados em Avanços da Ciência em 1º de janeiro, lançaram uma nova luz sobre como uma das barreiras físicas mais teimosas da energia de fusão poderia finalmente ser superada no caminho para a ignição.
A pesquisa foi co-liderada pelo Prof. Ping Zhu da Universidade de Ciência e Tecnologia Huazhong e pelo Prof. Associado Ning Yan dos Institutos Hefei de Ciências Físicas da Academia Chinesa de Ciências. Ao desenvolver uma nova abordagem operacional de alta densidade para o EAST, a equipe mostrou que a densidade do plasma pode ser empurrada para além dos limites empíricos de longa data sem desencadear as instabilidades perturbadoras que geralmente encerram os experimentos. Esta descoberta desafia décadas de suposições sobre como os plasmas tokamak se comportam em alta densidade.
Por que os limites de densidade impediram a fusão
A fusão nuclear é amplamente vista como 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. A tais temperaturas, a quantidade de energia de fusão produzida aumenta com o quadrado da densidade do plasma. Apesar desta vantagem, os experimentos com tokamak há muito são limitados por um limite superior de densidade. Quando esse limite é excedido, o plasma muitas vezes torna-se instável, perturbando o confinamento e ameaçando o funcionamento do dispositivo. Estas instabilidades têm sido um grande obstáculo para melhorar o desempenho da fusão.
Uma estrutura teórica mais recente conhecida como auto-organização da parede de plasma (PWSO) oferece uma explicação diferente 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 surgir 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 inicialização de cada descarga. Esta estratégia permitiu que as interações plasma-parede fossem otimizadas desde o início. Como resultado, o acúmulo de impurezas e as perdas de energia foram bastante reduzidos, permitindo que a densidade do plasma aumentasse de forma constante até o final da inicialização. 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 que excedem em muito os limites empíricos.
Implicações para ignição por fusão
Esses resultados experimentais oferecem uma nova visão física sobre como a barreira de densidade de longa data na operação do tokamak pode ser quebrada na busca pela ignição por fusão.
“As descobertas sugerem um caminho prático e escalonável para estender os limites de densidade em tokamaks e dispositivos de fusão de plasma de última geração”, disse o Prof.
Associado Pró. Yan acrescentou que a equipe planeja aplicar a mesma abordagem durante operações de alto confinamento no EAST em um futuro próximo, com o objetivo de alcançar o regime livre de densidade sob condições de plasma de alto desempenho.
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