Ensaios realizados no interior de um reactor de fusão na China revelaram uma nova forma de contornar uma das barreiras que condicionam a densidade do plasma sobreaquecido em rotação no seu interior.
No Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST), os físicos conseguiram ultrapassar com sucesso o chamado limite de Greenwald - um limiar prático de densidade a partir do qual os plasmas tendem a entrar em instabilidade violenta, muitas vezes com danos em componentes do reactor.
Durante muito tempo, o limite de Greenwald foi tratado como um dado adquirido e integrado no desenho e na engenharia de reactores de fusão. Este trabalho indica que um controlo rigoroso da forma como o plasma é iniciado e de como interage com as paredes do reactor pode empurrá-lo para lá desse limite, entrando no que os físicos designam por um regime “livre de densidade”.
Porque é que a densidade do plasma é um obstáculo na fusão
Os reactores de fusão procuram reproduzir a fusão nuclear intensa que acontece no núcleo do Sol, produzindo enormes quantidades de energia. Há vários desafios relevantes por resolver - e um deles é precisamente a densidade do plasma.
A lógica é simples: quanto mais átomos forem “empacotados” no plasma, mais colisões e interacções ocorrem e, consequentemente, mais reacções de fusão têm lugar, aumentando a energia produzida. Às temperaturas extremas do plasma dentro dos tokamaks - estruturas toroidais com campos magnéticos (uma espécie de “pista” em anel) que confinam e guiam o plasma - a potência obtida tende, em geral, a aumentar com a densidade do plasma.
O que é o limite de Greenwald e porque trava o aumento de densidade
É aqui que o limite de Greenwald corta o entusiasmo. Não se trata, propriamente, de uma lei fundamental da física, mas antes de um comportamento observado que pode ser descrito matematicamente, permitindo estimar até onde a densidade do plasma pode subir num tokamak antes de ser provável perder a estabilidade e colapsar de forma súbita.
A razão está no balanço de energia: à medida que a densidade aumenta, o plasma passa a radiar mais energia, arrefecendo mais depressa na sua periferia - sobretudo quando átomos provenientes da parede do reactor entram no plasma. Partículas energéticas do plasma libertam (por impacto) átomos da parede; já dentro do plasma, essas impurezas fazem subir a taxa de energia radiada, o que intensifica o arrefecimento e favorece a libertação de ainda mais impurezas, estabelecendo um ciclo de retroalimentação.
Esse arrefecimento resultante pode degradar o confinamento magnético que mantém o plasma contido, permitindo que o plasma escape e que a descarga termine rapidamente. Por esse motivo, os físicos costumam operar reactores de fusão por confinamento magnético abaixo do limite de Greenwald - excepto em experiências especificamente desenhadas para o testar.
Um “regime livre de densidade”: a ideia teórica e o teste no EAST
Recentemente, um estudo teórico indicou que a auto-organização nas interacções entre o plasma e a parede poderia permitir que os tokamaks escapassem à restrição habitual do limite de densidade de Greenwald, operando antes num regime distinto, descrito pelos autores como um regime separado “livre de densidade”.
Para explorar essa hipótese, uma equipa liderada pelos físicos Ping Zhu, da Huazhong University of Science and Technology, e Ning Yan, da Academia Chinesa de Ciências, concebeu uma experiência assente numa premissa directa: o limite de densidade é fortemente condicionado pelas interacções iniciais entre o plasma e a parede durante o arranque do reactor.
No ensaio, os investigadores procuraram verificar se seria possível orientar deliberadamente o resultado dessa interacção. Para isso, controlaram com cuidado a pressão do gás combustível durante o arranque do tokamak e acrescentaram um impulso de aquecimento, conhecido como aquecimento por ressonância ciclotrónica de electrões.
Estas alterações mudaram a forma como o plasma interage com as paredes do tokamak através de uma fronteira de plasma mais fria, reduzindo de forma acentuada o grau em que impurezas das paredes entravam no plasma.
Nessas condições, a equipa conseguiu atingir densidades até cerca de 65 por cento acima do limite de Greenwald do tokamak.
O que estes resultados significam (e o que não significam)
Isto não quer dizer que plasmas confinados magneticamente passem agora a poder operar sem quaisquer limites de densidade. Ainda assim, demonstra que o limite de Greenwald não é uma barreira fundamental e que ajustes nos processos operacionais podem conduzir a reactores de fusão mais eficazes.
A equipa irá continuar a testar estas observações para avaliar como o EAST se comporta, em condições de elevado desempenho, dentro do novo regime “livre de densidade”.
"Os resultados sugerem uma via prática e escalável para alargar os limites de densidade em tokamaks e em dispositivos de fusão de plasma em combustão de próxima geração", afirma Zhu.
Os resultados foram publicados na Science Advances.
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