Em seu último dia de operação, o tokamak Alcator C-Mod no Plasma Science &Fusion Center do Massachusetts Institute of Technology estabeleceu um novo recorde de pressão de plasma em um dispositivo de confinamento magnético. Esses resultados ajudam a validar a abordagem de alto campo para a energia de fusão, o que poderia levar a menores, usinas de fusão mais baratas.

A energia de fusão requer que o produto de três fatores - a densidade de partícula de um plasma, seu tempo de confinamento, e sua temperatura (o chamado "produto triplo") - excede um certo valor limite. Acima deste valor, a energia liberada pelo processo de fusão excede a energia necessária para manter a reação em andamento.

Pressão, que é o produto da densidade e da temperatura, é responsável por cerca de dois terços desse desafio. A densidade da potência de fusão aumenta com o quadrado da pressão - portanto, dobrar a pressão leva a um aumento de quatro vezes na produção de energia. E uma vez que a economia da energia de fusão será dominada pelos custos de capital, densidades de alta potência serão essenciais.

C-Mod é um compacto, tokamak de alto campo, que produziu uma série de resultados novos e importantes desde que começou a operar em 1993, contribuir com dados que estendem os testes de modelos físicos críticos a novos intervalos de parâmetros e a novos regimes. A equipe de pesquisa inclui cientistas, engenheiros, técnicos e alunos do MIT e de um grande número de instituições colaboradoras nacionais e internacionais. Suas capacidades únicas e recordes fluem diretamente do poderoso eletroímã no centro de seu design.

Durante os 23 anos de funcionamento do Alcator C-Mod, repetidamente avançou o registro da pressão de plasma em um dispositivo de confinamento magnético. O valor anterior de 1,77 atmosferas, estabelecido no C-Mod em 2005, foi eclipsado pelo novo recorde de 2,05 atmosferas (em outras unidades 2,1 Bar ou 0,21 MPa). Esses valores mais recentes foram alcançados empregando mais de 4 megawatts de aquecimento por radiofrequência, elevando a temperatura dentro do C-Mod para mais de 35 milhões de graus Celsius ou aproximadamente duas vezes mais quente que o centro do sol. A máquina foi operada com um campo magnético central de 5,7 Tesla e 1,4 milhão de amperes de corrente elétrica.

Nestes novos experimentos, os resultados do C-Mod excederam a próxima pressão mais alta, alcançado em outros dispositivos, em aproximadamente 70 por cento. A menos que um novo experimento seja anunciado e construído, o recorde de pressão que acabou de ser estabelecido no C-Mod provavelmente permanecerá por pelo menos 15 anos. ITER, um tokamak atualmente em construção na França, será aproximadamente 800 vezes maior em volume de plasma do que C-Mod, mas operará em um campo magnético inferior. Espera-se que o ITER alcance 2,6 atmosferas quando em operação total em 2032, de acordo com um relatório recente do Departamento de Energia dos EUA.

Em 2012, o DOE decidiu encerrar o financiamento ao C-Mod devido às pressões orçamentárias da construção do ITER. Seguindo essa decisão, o Congresso dos EUA restaurou o financiamento para o C-Mod por um período de três anos, que terminou em 30 de setembro.

Ao longo de sua vida, os resultados do C-Mod apoiaram diretamente as decisões de design e o planejamento operacional do ITER. Ao mesmo tempo, eles apontam o caminho em direção a um caminho de desenvolvimento de fusão que apresentaria características mais compactas, dispositivos de campo superiores.

Como observado acima, a densidade da potência de fusão aumenta com o quadrado da pressão do plasma, que por sua vez é dimensionado como o quadrado do campo magnético. Assim, a densidade da potência de fusão aumenta como a quarta potência do campo magnético. O ganho de energia aumenta com a terceira potência do campo. A partir desses argumentos, está claro que os dispositivos de fusão mais econômicos operariam com os campos mais altos que podem ser projetados de forma confiável. Em várias ocasiões anteriores, quando os Estados Unidos planejavam construir seus próprios dispositivos de plasma de queima, por exemplo, o CIT proposto, Dispositivos BPX e FIRE, o argumento preço para desempenho levou a projetos compactos de alto campo. Olhando para o futuro e considerando os custos substanciais e o cronograma de construção estendido para o ITER, que foi projetado com tecnologia de ímã supercondutor de campo moderado, um caminho de desenvolvimento que apresenta campo superior parece atraente.

Até recentemente, a opção de alto campo estava aberta apenas para experimentos pulsados, uma vez que os supercondutores convencionais à base de nióbio têm correntes e campos críticos que limitariam os ímãs de fusão de grande volume a cerca de 6 Tesla. Contudo, a maturidade industrial dos chamados supercondutores de alta temperatura (HTS) baseados em compostos de terras raras como óxido de cobre de ítrio-bário (YBCO) é uma virada de jogo. Um conceito de planta piloto de fusão, chamado ARC, foi desenvolvido no MIT para explorar as capacidades habilitadas pela nova tecnologia supercondutora. Este estudo mostrou que uma máquina do tamanho de um tokamak JET, executando com ímãs HTS em 9 Tesla e com parâmetros de plasma normalizados já alcançados em experimentos atuais, poderia produzir 500 megawatts de energia de fusão e 200 megawatts de eletricidade líquida.