Pesquisa e Colaboração

A pesquisa foi co-conduzida pelo Prof. Ping Zhu da Universidade de Ciência e Tecnologia 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 mostrou que a densidade do plasma pode ser ultrapassada muito além dos limites empíricos estabelecidos, sem acionar as instabilidades disruptivas que geralmente encerram os experimentos. Essa descoberta desafia décadas de suposições sobre o comportamento dos plasmas em tokamaks em altas densidades.

Por Que os Limites de Densidade Impediram o Progresso da 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 kelvins) para alcançar condições ideais. A essas temperaturas, a quantidade de energia de fusão produzida aumenta com o quadrado da densidade do plasma. Apesar dessa vantagem, os experimentos em tokamak sempre foram limitados por um limite superior de densidade. Quando esse limite é ultrapassado, o plasma muitas vezes se torna instável, interrompendo a contenção e ameaçando a operação do dispositivo. Essas instabilidades têm sido um grande obstáculo para a melhoria do desempenho da fusão.

Um novo quadro teórico conhecido como auto-organização plasma-parede (PWSO) oferece uma explicação diferente para a origem dos limites de densidade. O conceito foi proposto pela primeira vez por D.F. Escande et al. do Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica e da Universidade 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 de equilíbrio cuidadosamente balanceado. Nesse regime, a erosão física desempenha um papel dominante na formação do comportamento do plasma.

Resultados Experimentais e Confirmação Teórica

Os experimentos no EAST forneceram a primeira confirmação experimental dessa ideia teórica. Os pesquisadores controlaram cuidadosamente a pressão do gás 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, o acúmulo de impurezas e as perdas de energia foram grandemente reduzidos, permitindo que a densidade do plasma aumentasse continuamente ao final da partida. Nessas condições, o EAST entrou com sucesso no regime livre de densidade previsto pela PWSO, onde a operação estável foi mantida mesmo em densidades muito além dos limites empíricos.

Implicações para a Ignition da Fusão

Esses resultados experimentais oferecem novos insights físicos sobre como a barreira de densidade de longa data 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 confinamento no EAST em um futuro próximo, com o objetivo de alcançar o regime livre de densidade sob condições de plasma de alto desempenho.