EAST supera o limite de densidade do plasma em tokamaks

Um experimento chinês de fusão manteve um plasma quente e estável enquanto colocava muito mais combustível do que os operadores normalmente se arriscam a injetar, ultrapassando um teto de densidade antigo em reatores tokamak.

O estudo detalha como essa barreira foi vencida e por que levar o plasma a densidades mais altas pode aproximar a fusão magnética de uma produção de energia sustentada.

Dentro da máquina

O artigo descreve um dispositivo de fusão totalmente supercondutor na China que conseguiu sustentar um plasma estável mesmo com a densidade subindo além de limites considerados clássicos.

Ao ajustar com precisão as configurações de partida, o professor Zhu Ping, da Huazhong University of Science and Technology (HUST), conduziu o plasma a valores mais densos sem que ele entrasse em colapso.

A equipa de Zhu recorreu ao Tokamak Supercondutor Avançado Experimental, conhecido como EAST, e alcançou entre 1,3 e 1,65 vezes o limite normalmente aceito.

Reatores futuros podem replicar esse tipo de controlo logo no início da descarga, embora ainda precisem contornar as disrupções súbitas que podem danificar os componentes do equipamento.

Importância da densidade do plasma

Colocar mais combustível dentro do plasma aumenta a densidade do plasma - isto é, o número de partículas num determinado volume. Com densidades mais elevadas, os iões colidem com maior frequência, e cada colisão cria mais uma oportunidade de fusão com libertação de energia.

Manter esse combustível suficientemente quente continua a ser um desafio, por isso os investigadores normalmente equilibram densidade e temperatura para preservar a estabilidade do plasma.

Quando um dispositivo consegue sustentar a densidade sem “desligar” de forma abrupta, ganha-se tempo para que os aquecedores empurrem o sistema na direção da ignição por fusão, isto é, o autoaquecimento impulsionado pela própria potência de fusão.

A maioria das máquinas de fusão magnética é do tipo tokamak, câmaras em forma de anel nas quais campos magnéticos confinam o plasma num percurso fechado.

Em muitos tokamaks, elevar demais a densidade tende a arrefecer a periferia; com isso, o plasma pode tocar a parede de forma repentina e a descarga termina.

Para orientar a operação, é comum usar o limite de densidade de Greenwald, uma regra prática associada à corrente do plasma, como linha de alerta.

Durante muito tempo, ultrapassar essa linha levou engenheiros a aceitar densidades de combustível mais baixas, o que atrasa o avanço rumo a energia de fusão viável.

Paredes que fazem diferença

Uma hipótese mais recente atribui o teto de densidade às interações entre plasma e parede - o contacto que arranca átomos da superfície interna da câmara.

Quando as paredes libertam esses átomos, o plasma pode perder energia por radiação na forma de luz, dificultando a manutenção de temperaturas elevadas.

Investigadores franceses propuseram um conceito chamado auto-organização plasma-parede, ou PWSO, para descrever como o plasma e as paredes internas do equipamento passam a influenciar-se mutuamente.

Segundo essa visão, ao ajustar as condições das paredes logo no começo, é possível conduzir o plasma a um regime em que o teto habitual de densidade deixa de ditar quanta quantidade de combustível pode ser mantida.

Um truque na partida

Em vez de esperar o plasma já estar plenamente estabelecido, a equipa do EAST concentrou esforços na fase de partida, mais sensível e instável.

Eles adicionaram aquecimento por ressonância ciclotrónica eletrónica (ECRH), micro-ondas que aquecem eletrões rapidamente, e mantiveram esse aquecimento ativo durante a partida.

Uma pressão inicial de gás mais alta também foi decisiva, porque o combustível neutro extra no início moldou o contacto plasma-parede antes de as temperaturas dispararem.

Com essa combinação desde o começo, a descarga conseguiu subir para densidades superiores mais adiante, sem depender de correções emergenciais depois que os problemas já tinham começado.

Plasma mais limpo, densidade mais alta

O ECRH e o gás adicional alteraram a resposta das paredes, reduzindo as impurezas que normalmente se acumulam à medida que a densidade aumenta.

Com menos material das paredes a entrar no plasma, menos energia se perdeu por radiação, e o núcleo permaneceu quente por mais tempo.

Próximo do divertor - a parte do reator que lida com o excesso de calor - as temperaturas caíram, e o estado de alta densidade manteve-se estável.

Essa borda mais fria diminuiu o esforço térmico nas superfícies internas da máquina, desde que os operadores mantivessem o plasma sob controlo rigoroso.

O tungsténio muda o comportamento

O EAST utiliza superfícies de tungsténio, e o plasma reage de modo distinto a esse metal pesado quando atinge a parede.

Quando partículas energéticas colidem com o tungsténio, podem desalojar quantidades minúsculas do metal para dentro do plasma, alterando o quão limpo e estável ele se mantém.

A condição das paredes também pesou: por vezes, configurações idênticas produziram resultados diferentes depois que descargas anteriores tinham modificado a superfície.

Essa sensibilidade indica que outras máquinas vão precisar de preparação de parede cuidadosa e consistente para reproduzir o mesmo resultado de forma confiável.

Escalonando para reatores futuros

Alcançar densidades mais altas por meio de controlo detalhado da fase de partida pode ser aplicável a outros reatores, já que todo tokamak atravessa esse mesmo início frágil.

Num plasma em combustão, em que as reações de fusão fornecem a maior parte do aquecimento, uma densidade maior pode elevar a produção de energia sem exigir aumentos extremos de temperatura.

Em vez de recorrer a pellets ou a outros materiais para elevar o combustível, esta abordagem centrou-se em gerir as condições das paredes e em usar ECRH durante a partida.

Se outros reatores conseguirem o mesmo estado estável de alta densidade, os projetistas poderão aproximar-se da ignição enquanto mantêm um confinamento robusto do plasma.

Densidade do plasma e o futuro da fusão

Testar a ideia no regime de alta contenção no EAST mostrará se o comportamento “livre de densidade” se mantém quando o plasma armazena mais energia.

Com mais energia acumulada, as disrupções tornam-se mais severas, e a equipa precisará de controlo preciso do gás, da potência de ECRH e das condições das paredes.

Um artigo curto descreveu cientistas da HUST com o objetivo de estender a abordagem “livre de densidade” a dispositivos de próxima geração.

“As conclusões sugerem um caminho prático e escalável para estender limites de densidade em tokamaks e em dispositivos de fusão de plasma em combustão de próxima geração”, disse Zhu.

Ao remodelar a partida e a resposta das paredes, os resultados no EAST apontam um meio plausível de aumentar a densidade sem acionar a queda abrupta típica.

Demonstrar o método em modos de operação mais exigentes estabeleceria metas de projeto mais claras, mas ainda exigirá controlo cuidadoso e repetibilidade.