Experimentos realizados dentro de um reator de fusão na China demonstraram uma nova maneira de contornar um dos limites para a densidade do plasma superaquecido que circula em seu interior.
No Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST), físicos conseguiram ultrapassar o chamado limite de Greenwald, uma fronteira prática de densidade além da qual os plasmas tendem a se desestabilizar violentamente, causando frequentemente danos aos componentes do reator.
Durante muito tempo, o limite de Greenwald foi aceito como um dado e incorporado na engenharia dos reatores de fusão. A nova pesquisa demonstra que o controle preciso sobre a forma como o plasma é gerado e como ele interage com as paredes do reator pode ultrapassar esse limite, entrando em um regime que os físicos chamam de “sem restrição de densidade”.
Superando barreiras no plasma de fusão
Os reatores de fusão são projetados para replicar a intensa fusão nuclear que ocorre no interior do Sol, gerando enormes quantidades de energia. Um dos maiores desafios para isso é justamente a densidade do plasma.
A lógica é simples: quanto mais átomos são compactados no plasma, maior a interação entre eles, aumentando as reações de fusão e, consequentemente, a produção energética. Nas altas temperaturas do plasma dentro dos tokamaks — circuitos toroidais com linhas magnéticas que contêm e canalizam o plasma — a produção de energia geralmente cresce conforme a densidade do plasma.
É nesse ponto que o limite de Greenwald impõe uma restrição. Embora não seja uma lei física rígida, ele é um fenômeno observado que pode ser matematicamente descrito para prever até que ponto a densidade do plasma pode crescer dentro de um tokamak antes que ele se desestabilize e colapse abruptamente.
Por que o limite existe?
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À medida que a densidade do plasma aumenta, ele irradia mais energia e esfria rapidamente nas suas bordas, especialmente quando átomos das paredes do reator entram no plasma. Partículas energéticas do plasma arrancam esses átomos das paredes e, uma vez dentro do plasma, essas impurezas aumentam a taxa de radiação energética, esfriando ainda mais o plasma e liberando mais impurezas, gerando um ciclo de feedback negativo.
Esse resfriamento pode deteriorar o confinamento magnético que mantém o plasma contido, permitindo que ele escape e o funcionamento cessar rapidamente. Por isso, geralmente, os físicos operam os reatores de fusão magnéticos abaixo do limite de Greenwald, exceto em experimentos específicos para testá-lo.
A nova abordagem para ultrapassar o limite
Recentemente, um estudo teórico sugeriu que a auto-organização nas interações entre plasma e paredes poderia permitir que os tokamaks escapassem da restrição usual do limite de Greenwald, operando em um regime separado, descrito como “sem restrição de densidade”.
Uma equipe liderada pelos físicos Ping Zhu, da Universidade de Ciência e Tecnologia de Huazhong, e Ning Yan, da Academia Chinesa de Ciências, desenvolveu um experimento para avançar nessa teoria, baseado em uma premissa simples: o limite de densidade é fortemente influenciado pelas interações iniciais entre o plasma e as paredes no momento da partida do reator.
No experimento, os pesquisadores controlaram cuidadosamente a pressão do gás combustível durante a partida do tokamak e aplicaram uma explosão de aquecimento chamada de resonância ciclotrônica de elétrons. Essas mudanças alteraram o modo como o plasma interagia com as paredes do tokamak através de uma fronteira de plasma mais fria, reduzindo drasticamente a entrada de impurezas das paredes no plasma.
Com esse novo regime, os cientistas conseguiram alcançar densidades até cerca de 65% maiores do que o limite de Greenwald do tokamak.
Isso não significa que os plasmas confinados magneticamente agora possam operar sem limites de densidade, mas representa um avanço importante para a física da fusão e a engenharia de reatores mais eficientes e estáveis.
Matéria original: https://www.sciencealert.com/fusion-physicists-found-a-way-around-a-long-standing-density-limit