Cientistas que trabalham com o Tokamak Supercondutor Avançado Experimental Totalmente Supercondutor (EAST) da China alcançaram com sucesso um “regime livre de densidade” há muito teorizado em experimentos de plasma de fusão. Nesta condição, o plasma permanece estável mesmo quando a sua concentração excede os limites convencionais. Resultados, publicados A ciência avança No dia 1 de Janeiro, a energia de fusão lançou uma nova luz sobre como as barreiras físicas mais teimosas à ignição podem finalmente ser ultrapassadas.
A pesquisa foi co-liderada pelo Professor Ping Zhu da Universidade de Ciência e Tecnologia Huazhong e pelo Professor Associado Ning Yan do Instituto Hefei de Ciências Físicas da Academia Chinesa de Ciências. Ao desenvolver um novo procedimento operacional de alta densidade para o EAST, a equipe mostrou que as concentrações plasmáticas podem ser levadas além dos limites empíricos de longa duração sem desencadear as instabilidades perturbadoras que normalmente encerram os experimentos. A descoberta desafia décadas de suposições sobre como o plasma tokamak se comporta em altas densidades.
Por que o limite de densidade está impedindo 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 dessas vantagens, os experimentos com tokamak há muito são limitados por limites de alta densidade. Quando esse limite é excedido, o plasma muitas vezes torna-se instável, perturbando o confinamento e ameaçando a operação do dispositivo. Esta instabilidade tem sido um grande obstáculo para melhorar o desempenho da fusão.
Uma nova estrutura teórica conhecida como auto-organização da parede de plasma (PWSO) oferece uma explicação diferente para a formação de 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 concentração 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.
Os experimentos EAST forneceram a primeira confirmação experimental deste conceito teórico. 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 técnica permite otimizar a interação plasma-parede desde o início. Como resultado, a geração de impurezas e a perda de energia são bastante reduzidas, permitindo que a densidade do plasma continue a aumentar no final da inicialização. Sob estas condições, o EAST entrou com sucesso no regime livre de concentração previsto pelo PWSO, onde a operação estável foi mantida mesmo em concentrações que excedem os limites empíricos.
Implicações para ignição por fusão
Esses resultados experimentais fornecem uma nova visão física sobre como as barreiras de densidade de longa data podem ser quebradas na operação do tokamak em busca da ignição por fusão.
“As descobertas sugerem um caminho prático e escalável para aumentar o limite de densidade em tokamaks e dispositivos de fusão de plasma de última geração”, disse o professor Zhu.
Associado Pró. Yan acrescentou que a equipe planeja aplicar o mesmo método durante operações de alto confinamento no EAST em um futuro próximo, com o objetivo de atingir o regime livre de densidade sob condições de plasma de alto desempenho.
