Cientistas que trabalham com o Tokamak Experimental de Supercondução Avançada (EAST) para Todos os Supercondutores da China alcançaram com sucesso o há muito teorizado “estado livre de densidade” em um experimento de plasma de fusão. Neste estado, o plasma permanece estável mesmo que a sua densidade exceda em muito os limites convencionais. Os resultados foram publicados em progresso científico Em 1º de janeiro, foram fornecidas novas pistas sobre como finalmente superar os obstáculos físicos mais teimosos no caminho para a ignição por energia de fusão.
A pesquisa foi co-liderada pelo professor Zhu Ping, da Universidade de Ciência e Tecnologia de Huazhong, e pelo pesquisador associado Yan Ning, do Instituto de Ciências Físicas de Hefei, Academia Chinesa de Ciências. Ao desenvolver um novo método operacional de alta densidade para o EAST, a equipe mostrou que as densidades do plasma podem exceder em muito os limites empíricos de longa data sem desencadear as instabilidades destrutivas que muitas vezes encerram os experimentos. A descoberta desafia décadas de suposições sobre como os plasmas tokamak se comportam em altas densidades.
Por que os limites de densidade dificultam a fusão nuclear
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 energia de fusão produzida aumenta com o quadrado da densidade do plasma. Apesar desta vantagem, os experimentos com tokamak há muito são limitados por limites superiores de densidade. Quando este limite é excedido, o plasma muitas vezes torna-se instável, destruindo o limite e ameaçando o funcionamento do dispositivo. Estas instabilidades têm sido um grande obstáculo para melhorar o desempenho da fusão.
Uma nova estrutura teórica chamada auto-organização da parede de plasma (PWSO) oferece uma explicação diferente para o surgimento do confinamento por densidade. Este 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 estado livre de densidade ocorre quando a interação entre o plasma e as paredes metálicas do reator atinge um estado cuidadosamente equilibrado. Neste caso, a pulverização catódica física desempenha um papel dominante na formação do comportamento do plasma.
A experiência EAST foi a primeira a confirmar experimentalmente esta ideia teórica. Os pesquisadores controlaram cuidadosamente a pressão inicial do gás e aplicaram aquecimento por ressonância ciclotron eletrônica durante a fase de inicialização de cada descarga. Esta estratégia permite que a interação plasma-parede seja otimizada desde o início. Como resultado, o acúmulo de impurezas e a perda de energia são bastante reduzidos, permitindo que a densidade do plasma aumente de forma constante no final da inicialização. Sob estas condições, o EAST entrou com sucesso no estado livre de densidade previsto pelo PWSO e manteve uma operação estável mesmo quando a densidade excedeu em muito o limite empírico.
Impacto na ignição por fusão
Esses resultados experimentais fornecem novos insights físicos sobre como quebrar a barreira de densidade de longa data nas operações de tokamak na busca pela ignição por fusão.
“As descobertas sugerem um caminho prático e escalável para estender os limites de densidade do tokamak e dos dispositivos de fusão de plasma de combustão de próxima geração”, disse o professor Zhu.
Profissional Associado. Yan acrescentou que a equipe planeja aplicar a mesma abordagem em operações de alta restrição no EAST em um futuro próximo, com o objetivo de atingir um estado livre de densidade sob condições de plasma de alto desempenho.
