يجلب العلماء طاقة الاندماج التي تضيء الشمس والنجوم أقرب إلى الواقع على الأرض

اقترح الفيزيائيون في مختبر برينستون لفيزياء البلازما (PPPL) التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE) مصدر الانهيار المفاجئ والمحير للحرارة الذي يسبق الاضطرابات التي يمكن أن تلحق الضرر بمرافق اندماج توكاماك على شكل كعكة. يمكن أن يتغلب التعامل مع المصدر على أحد أهم التحديات التي ستواجهها منشآت الاندماج المستقبلية وتقريب الإنتاج على الأرض لطاقة الاندماج التي تحرك الشمس والنجوم.

تتبع الباحثون الانهيار إلى اضطراب ثلاثي الأبعاد للمجالات المغناطيسية القوية التي تغمر الشحنات الساخنة غاز البلازما يغذي ردود الفعل. “اقترحنا طريقة جديدة لفهم [disordered] قال مين-جو يو ، باحث ما بعد الدكتوراه في PPPL والمؤلف الرئيسي لـ فيزياء البلازما تم اختيار الورقة على أنها اختيار المحرر مع صورة موضوعة على غلاف عدد يوليو. أصبح يو منذ ذلك الحين عالمًا في فريق العمل في General Atomics في سان دييغو.

ال المجالات المغناطيسية القوية بديل في منشآت الاندماج عن الجاذبية الهائلة التي تحافظ على تفاعلات الاندماج في مكانها في الأجرام السماوية. ولكن عندما يضطرب بلازما عدم الاستقرار في التجارب المعملية ، تسمح الخطوط الميدانية للحرارة الفائقة للبلازما بالهروب بسرعة من الحبس. تسحق هذه الحرارة البالغة مليون درجة جزيئات البلازما معًا لتحرير طاقة الاندماج ويمكن أن تصطدم بجدران منشأة الاندماج وتتلفها عند إطلاقها من الحبس.

“في حالة الاضطراب الرئيسي ، تصبح الخطوط الميدانية بالكامل [disordered] قال عالم الفيزياء البحثي الرئيسي Weixing Wang ، مستشار Yoo PPPL والمؤلف المشارك للورقة ، مثل السباغيتي والاتصال السريع بالجدار بأطوال مختلفة جدًا. “هذا يجلب بلازما هائلة طاقة حرارية ضد الحائط.”

يجمع الاندماج بين العناصر الخفيفة في شكل بلازما – حالة المادة الساخنة المشحونة المكونة منها الإلكترونات الحرة والنواة الذرية – التي تولد كميات هائلة من الطاقة. تحتوي البلازما على إلكترونات حرة ونوى ذرية ، أو أيونات ، وتشكل 99٪ من الكون المرئي. يسعى العلماء في جميع أنحاء العالم للقبض على انصهار عملية على الأرض لإنشاء مصدر طاقة نظيف وخالٍ من الكربون ولا ينضب فعليًا لتوليد الكهرباء.

التلال والوديان

ما لم يكن معروفًا من قبل هو الشكل ثلاثي الأبعاد ، أو الطوبولوجيا ، لخطوط الحقل المشوشة الناتجة عن عدم الاستقرار المضطرب. يوضح يو أن الطوبولوجيا تشكل تلالًا ووديانًا صغيرة ، مما يترك بعض الجسيمات محاصرة في الوديان وغير قادرة على الهروب من الحبس بينما يتدحرج البعض الآخر على التلال ويصطدم بجدران المنشأة.

وقال يو “إن وجود هذه التلال مسؤول عن الانهيار السريع في درجات الحرارة ، ما يسمى بالإخماد الحراري ، لأنها تسمح لمزيد من الجسيمات بالهروب إلى جدار توكاماك”. “ما أظهرناه في الورقة هو كيفية رسم خريطة جيدة لفهم طوبولوجيا خطوط المجال. بدون التلال المغناطيسية ، كانت معظم الإلكترونات محاصرة ولن تتمكن من إنتاج التبريد الحراري الذي لوحظ في التجارب.”

قام علماء PPPL بمحاكاة طوبولوجيا الإخماد الحراري كهيكل ثلاثي الأبعاد معقد بدلاً من هيكل بسيط 1D كما تم تصويره. وبذلك ، تجنب الباحثون المبالغة في التبسيط الشائعة التي يمكن أن تضلل الفيزياء.

قال يو إن ما جعل من الصعب فهم الهيكل هو التفاعل المعقد بين المجالات الكهربائية والمغناطيسية داخل المنشأة. كشف باحثو PPPL عن التفاعل باستخدام كود GTS الخاص بالمختبر ، والذي يحاكي تأثير عدم الاستقرار المضطرب على حركة الجسيمات. كشف الكود أن ملف الحقل الكهربائي المنتج في المنشآت يعمل على طرد الجسيمات بين خطوط المجال المغناطيسي العشوائية التي تشبه السباغيتي ومن ثم يسهل حركة الجسيمات المحاصرة على طول خطوط المجال التي تؤدي إلى الإخماد الحراري.

“يوفر هذا البحث رؤى فيزيائية جديدة حول كيفية فقدان البلازما لطاقتها تجاه الجدار عندما يكون مفتوحًا حقل مغناطيسي قال يو “الفهم الجديد سيكون مفيدًا في إيجاد طرق مبتكرة لتخفيف أو تجنب التبريد الحراري واضطرابات البلازما في المستقبل.”