Cientistas que trabalham com o Tokamak Supercondutor Experimental Avançado (EAST) da China alcançaram com sucesso um “regime livre de densidade”, há muito teorizado, em experimentos de plasma de fusão. Nesse estado, o plasma permanece estável, mesmo quando sua densidade ultrapassa em muito os limites tradicionais. Os resultados, publicados na Science Advances em 1º de janeiro, lançam nova luz sobre como uma das barreiras físicas mais desafiadoras da energia de fusão pode finalmente ser superada no caminho para a ignição.
A pesquisa foi co-liderada pelo Prof. Ping Zhu da Universidade de Ciência e Tecnologia de Huazhong e pelo Prof. Associado Ning Yan dos Institutos Hefei de Ciência Física da Academia Chinesa de Ciências. Ao desenvolver uma nova abordagem de operação em alta densidade para o EAST, a equipe demonstrou que a densidade do plasma pode ser aumentada muito além dos limites empíricos tradicionais sem desencadear as instabilidades disruptivas que geralmente encerram os experimentos. Essa descoberta desafia décadas de suposições sobre como os plasmas de tokamak se comportam em alta densidade.
Por que os Limites de Densidade Têm Impedido a Fusão
A fusão nuclear é amplamente vista como uma potencial fonte de energia limpa e sustentável. Na fusão de deutério-trítio, o combustível deve ser aquecido a cerca de 13 keV (150 milhões de kelvin) para atingir condições ideais. Nessas temperaturas, a quantidade de energia de fusão produzida aumenta com o quadrado da densidade do plasma. Apesar dessa vantagem, os experimentos em tokamak têm sido, há muito, restritos por um limite superior de densidade. Quando esse limite é ultrapassado, o plasma costuma se tornar instável, interrompendo a contenção e ameaçando a operação do dispositivo. Essas instabilidades têm sido um grande obstáculo para melhorar o desempenho da fusão.
Uma nova estrutura teórica conhecida como auto-organização plasma-parede (PWSO) oferece uma explicação diferente para a origem dos limites de densidade. O conceito foi proposto inicialmente por D.F. 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 emergir quando a interação entre o plasma e as paredes metálicas do reator atinge um estado cuidadosamente equilibrado. Nesse regime, o sputtering físico desempenha um papel dominante na modelagem do comportamento do plasma.
Os experimentos do EAST forneceram a primeira confirmação experimental dessa ideia teórica. Os pesquisadores controlaram cuidadosamente a pressão do gás de combustível inicial e aplicaram aquecimento por ressonância ciclotrônica de elétrons durante a fase de partida de cada descarga. Essa estratégia permitiu otimizar as interações plasma-parede desde o início. Como resultado, a acumulação de impurezas e perdas de energia foram consideravelmente reduzidas, permitindo que a densidade do plasma aumentasse de forma constante até o final da partida. Sob essas condições, o EAST conseguiu entrar no regime livre de densidade previsto pela PWSO, onde a operação estável foi mantida mesmo a densidades muito superiores aos limites empíricos.
Implicações para a Ignicão da Fusão
Esses resultados experimentais oferecem novos insights físicos sobre como a barreira de densidade, há muito estabelecida, na operação de tokamak pode ser quebrada na busca pela ignição da fusão.
“As descobertas sugerem um caminho prático e escalável para estender os limites de densidade em tokamaks e dispositivos de fusão de plasma em queima de próxima geração,” disse o Prof. Zhu.
O Prof. Associado Yan acrescentou que a equipe planeja aplicar a mesma abordagem durante a operação de alta contenção no EAST em um futuro próximo, com o objetivo de alcançar o regime livre de densidade sob condições de plasma de alto desempenho.